7 行代码 3 分钟：从零开始实现一门编程语言

本文最初发布于 Matt Might 的个人博客。

本文介绍了多种解释器实现。通过修改最后一个解释器，你应该可以快速测试关于编程语言的新想法。如果你希望有一种语法不一样的语言，就可以构建一个解析器，把 s-表达式转储。这样，你就可以干净利落地将语法设计与语义设计分开。

实现一门编程语言是任何程序员都不应该错过的经验；这个过程可以培养你对计算的深刻理解，而且很有趣。

本文直击本质，把整个过程归结为：一个面向函数式（但图灵等价）编程语言的 7 行解释器，而其实现只需要大约 3 分钟。

这个 7 行的解释器展示了许多解释器中都存在的可扩展架构——《计算机程序的结构与解释》中的 eval/apply 设计模式：

本文中总共有三种语言的实现：

最容易实现的编程语言是一种极简的高阶函数式编程语言，名为λ演算（lambda calculus）。

实际上，λ演算是所有主要的函数式语言的核心——Haskell、Scheme 和 ML——但它也存在于 JavaScript、Python 和 Ruby 中。它甚至隐藏在 Java 中，不知道你是否知道在哪里可以找到它。

阿隆佐·丘奇在 1929 年开发了λ演算。

那时，它还不叫编程语言，因为当时没有计算机；没有什么东西可以“编程”。

它实际上只是一个用于函数推理的数学符号。幸运的是，阿隆佐·丘奇有一个博士生叫艾伦·图灵。

艾伦·图灵定义了图灵机，这成为通用计算机第一个公认的定义。

人们很快发现，λ演算和图灵机是等价的：任何能用λ演算描述的函数都能在图灵机上实现，而任何能在图灵机上实现的函数都能用λ演算描述。

值得注意的是，λ演算中只有三种表达式：变量引用、匿名函数和函数调用。

匿名函数的编写采用“lambda-dot”标记法，如下所示：

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该函数接受参数v ，返回值e 。如果用 JavaScript 编写，上述代码等价于：

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函数调用的写法是使两个表达式相邻：

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JavaScript（或其他任何语言）的写法如下：

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将参数原样返回的恒等函数写法如下：

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我们可以将恒等函数应用于恒等函数：

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（返回当然也是恒等函数。）下面这个程序更有意思一些：

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你能搞懂它做了什么吗？

乍一看，这门简单的语言似乎缺少递归和迭代，更不用说数值、布尔、条件、数据结构等其他东西。这种语言怎么可能是通用的呢？

λ演算达到图灵等价是通过两个最酷的编程黑科技实现的：Church 编码和 Y 组合子。

关于 Y 组合子，我已经写过一篇文章，关于Church编码，也写过一篇。不过，你不想读这些文章也没事，我只需一个程序就可以说服你，λ演算的功能远超你的预期：

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这个看上去无害的程序名为 Omega，如果你试图执行它，就发现它不会终止！（看看你能不能找出原因）。

下面是用 R5RS Scheme 耗时 3 分钟实现的一个 7 行λ演算解释器。从技术上讲（下文有解释），它是一个基于环境的指示型解释器。

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这段代码将从 stdin 读取一个程序，解析它，求值并打印结果。(去掉注释和空行，它只有 7 行）。Scheme 的read函数简化了词法分析和解析——只要你愿意生活在“平衡圆括号”（即s-表达式）的语法世界中。(如果不愿意，你就必须仔细研究解析中的词法分析；可以从我的一篇关于词法分析的文章入手）。在 Scheme 中，read从 stdin 中获取括号括起来的输入，并将其解析为一棵树。

eval 和apply 两个函数构成了解释器的核心。尽管是在 Scheme 中，但我们可以给予这些函数概念上的“签名”：

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eval函数接收一个表达式和一个环境然后转换为一个值。表达式可以是一个变量，一个 lambda 项或一个应用程序。环境是一个从变量到值的映射，用来定义一个开项的自由变量。（开项是一个变量的非绑定出现。）例如，考虑一下表达式（λ x . z）。这个项是开放的，因为我们不知道z是什么。

由于用的是 R5RS Scheme，我们可以使用关联列表来定义环境。

闭包是一个函数的编码，它将一个（可能是开放的）lambda 表达式与一个环境配对，以定义其自由变量。换句话说，一个闭包封闭了一个开项。

Racket是 Scheme 的一种方言，它功能齐备，可以把事情做好。Racket 提供了一个可以清理解释器的匹配结构，如下所示：

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这个代码多点，但更简洁，更容易理解。

λ演算是一门很小的语言。即便如此，其解释器的 eval/apply 设计也可以扩展到更大的语言。例如，用大约 100 行代码，我们可以为一个相当大的 Scheme 子集实现一个解释器。

考虑一种具有各种表达形式的语言：

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下载源代码，请点击https://matt.might.net/articles/implementing-a-programming-language/minilang.rkt?accessToken=eyJhbGciOiJIUzI1NiIsImtpZCI6ImRlZmF1bHQiLCJ0eXAiOiJKV1QifQ.eyJhdWQiOiJhY2Nlc3NfcmVzb3VyY2UiLCJleHAiOjE2NTU0NTMzMzAsImZpbGVHVUlEIjoibG9xZVcyRXl2d0hkSkxBbiIsImlhdCI6MTY1NTQ1MzAzMCwidXNlcklkIjoyMDQxOTA5MH0.Nv5UyUdCUJNT7c0kIaPSE0g0f4k9Ed26rLl2Bu5RpG4

通过修改最后一个解释器，你应该可以快速测试关于编程语言的新想法。

如果你希望有一种语法不一样的语言，就可以构建一个解析器，把 s-表达式转储。这样，你就可以干净利落地将语法设计与语义设计分开。

查看英文原文：

https://matt.might.net/articles/implementing-a-programming-language?accessToken=eyJhbGciOiJIUzI1NiIsImtpZCI6ImRlZmF1bHQiLCJ0eXAiOiJKV1QifQ.eyJhdWQiOiJhY2Nlc3NfcmVzb3VyY2UiLCJleHAiOjE2NTU0NTMzMzAsImZpbGVHVUlEIjoibG9xZVcyRXl2d0hkSkxBbiIsImlhdCI6MTY1NTQ1MzAzMCwidXNlcklkIjoyMDQxOTA5MH0.Nv5UyUdCUJNT7c0kIaPSE0g0f4k9Ed26rLl2Bu5RpG4