Scheme

Scheme [skiːm] — функциональный язык программирования, один из трёх наиболее популярных диалектов Лиспа (наряду с Common Lisp и Clojure). Создан в середине 1970-х годов исследователями Массачусетского технологического института Гаем Стилом (англ. Guy L. Steele) и Джеральдом Сассменом (англ. Gerald Jay Sussman).

Scheme
Семантика	функциональный
Класс языка	язык программирования, мультипарадигмальный, язык функционального программирования, процедурный язык программирования и язык метапрограммирования[вд]
Тип исполнения	интерпретатор или компилятор
Появился в	1975
Автор	Гай Стил и Джеральд Сассмен
Расширение файлов	.scm, .ss
Выпуск	R7RS-small (2013)[1]
Система типов	строгая, динамическая
Основные реализации	PLT Scheme, MIT Scheme, Scheme48, Guile, JScheme
Диалекты	T[англ.]
Испытал влияние	Lisp, ALGOL
Повлиял на	Common Lisp, JavaScript, R, Ruby, Dylan, Lua, Hop[англ.], Racket
Сайт	scheme-reports.org (англ.)
Медиафайлы на Викискладе

Обладает минималистичным дизайном, содержит минимум примитивных конструкций и позволяет выразить всё необходимое путём надстройки над ними. Например, использует всего два механизма организации циклов — хвостовую рекурсию и итеративный подход (в котором используются временные переменные для сохранения промежуточного результата).

Язык начинался с попытки реализовать модель акторов Карла Хьюитта, для чего Стил и Сассман написали «крошечный интерпретатор Лиспа», а затем «добавили механизм создания акторов и посылки сообщений». Scheme стал первым диалектом Лиспа, применяющим исключительно статические (а не динамические) области видимости переменных, что гарантировало оптимизацию хвостовой рекурсии и обеспечило поддержку булевского типа (#t и #f вместо традиционных T и NIL). Также стал одним из первых языков с поддержкой продолжений. Начиная со спецификации R⁵RS, язык приобрёл средство для записи макросов на основе шаблонов синтаксического преобразования с «соблюдением гигиены» (англ. hygienic macro). Предусматривается «сборка мусора» (автоматическое освобождение памяти от неиспользуемых более объектов).

В качестве базовых структур данных язык использует списки и одномерные массивы («векторы»). В соответствии с декларируемым минимализмом, (пока) нет стандартного синтаксиса для поддержки структур с именованными полями, а также средств ООП — все это может быть реализовано программистом по его предпочтению, хотя большинство реализаций языка предлагают готовые механизмы.

Первоначальное название языка — Schemer, было изменено из-за ограничения на длину имён файлов в ITS^[англ.]; (англ. schemer — «авантюрист», «комбинатор»; видимо, намёк на другие лиспообразные языки, вышедшие из MIT — Planner (в одном из значений — «прожектёр») и Conniver («потворщик»)). Значительный вклад в популяризацию языка внесла книга Абельсона и Сассмана «Структура и интерпретация компьютерных программ», длительное время использовавшаяся как базовый учебник программирования в Массачусетском технологическом институте.

Примеры

Простые математические операции:

(+ 2 (* 2 2))
> 6
(+ 1 2 3 4)
> 10

Вызов каждой операции (или функции) представляется списком, в котором символ операции (который, в сущности, является именем функции) всегда занимает начальную позицию.

Предикаты типа:

(number? 5)
(number? "foo")
(string? "foo")

По соглашению, имена всех предикатов заканчиваются символом ?.

Проверки на равенство:

(equal? "foo" "bar")
(eqv? 5 (+ 2 3))
(eq? 'a 'A)

Определение макросов для традиционных операций push и pop:

(define-syntax push!
  (syntax-rules ()
    ((push! x l)
     (set! l (cons x l)))))

(define-syntax pop!
  (syntax-rules ()
    ((pop! l)
     (let ((x (car l)))
       (set! l (cdr l))
       x))))

Определение функций:

;; факториал в (неэффективном) рекурсивном стиле
(define (fact x)
  (if (< x 2)
      1
      (* (fact (- x 1)) x)))

;; функция Фибоначчи — требует параллельной рекурсии
(define (fib n)
  (cond ((= n 0) 0)
        ((= n 1) 1)
        (else (+ (fib (- n 1))
                 (fib (- n 2))))))

;; сумма элементов списка в характерном для Scheme стиле
;; (вспомогательная функция loop выражает цикл с помощью
;; хвостовой рекурсии и переменной-аккумулятора)
(define (sum-list x)
  (let loop ((x x) (n 0))
    (if (null? x)
        n
        (loop (cdr x) (+ (car x) n)))))

(fact 14)
(fib 10)
(sum-list '(6 8 100))
(sum-list (map fib '(1 2 3 4)))

Определение функции должно соответствовать следующему прототипу:

(define имя-функции (lambda (аргументы) (реализация-функции)))

хотя на практике чаще используют сокращённую форму:

(define (имя-функции аргументы) (реализация-функции))

Ввод-вывод

Для ввода и вывода в Scheme используется тип «порт» (port, R5RS sec 6.6)^[2]. R5RS определяет два стандартных порта, доступные как current-input-port и current-output-port, отвечающие стандартным потокам ввода-вывода Unix. Большинство реализаций также предоставляют current-error-port. Перенаправление ввода-вывода поддерживается в стандарте с помощью процедур with-input-from-file и with-output-to-file. У реализаций также имеются строковые порты, с помощью которых многие операции ввода-вывода могут выполняться со строковым буфером вместо файла, используя процедуры из SRFI 6^[3]. Стандарт R6RS определяет более сложные процедуры для работы с портами и много новых типов портов.

Следующие примеры написаны на R5RS Scheme.

(write (+ (read) (read)))

Вывод в порт по умолчанию (current-output-port):

(let ((hello0 (lambda() (display "Hello world") (newline))))
  (hello0))

Передача порта в качестве аргумента:

(let ((hello1 (lambda (p) (display "Hello world" p) (newline p))))
  (hello1 (current-output-port)))

Перенаправление вывода в файл:

(let ((hello0 (lambda () (display "Hello world") (newline))))
  (with-output-to-file "outputfile" hello0))

Явное открытие файла и закрытие порта:

(let ((hello1 (lambda (p) (display "Hello world" p) (newline p)))
      (output-port (open-output-file "outputfile")))
  (hello1 output-port)
  (close-output-port output-port)
)

call-with-output-file:

(let ((hello1 (lambda (p) (display "Hello world" p) (newline p))))
  (call-with-output-file "outputfile" hello1))

Подобные процедуры есть и для ввода. R5RS Scheme предоставляет предикаты input-port? и output-port?. Для символьного ввода и вывода существуют write-char, read-char, peek-char и char-ready?. Для чтения и записи выражений Scheme используются процедуры read и write. Если порт достиг конца файла при операции чтения, возвращается eof-объект, который может быть распознан предикатом eof-object?.

SRFI

Из-за минимализма языка многие общие процедуры и синтаксические формы не определены в стандарте. Для того, чтобы сохранить ядро языка малым и способствовать стандартизации расширений, в сообществе Scheme принят процесс «Scheme Request for Implementation» (запрос на реализацию), с помощью которого предлагаемые расширения проходят тщательное обсуждение. Это способствует переносимости кода. Многие SRFI поддерживаются всеми или большинством реализаций Scheme.

Достаточно широко поддерживаются реализациями следующие SRFI^[4]:

• 0: проверка наличия расширений с помощью cond-expand
• 1: библиотека для списков
• 4: гомогенные числовые векторы
• 6: строковые порты
• 8: receive: привязка к нескольким значениям
• 9: record типы
• 13: библиотека для строк
• 14: библиотека наборов символов
• 16: синтаксис для процедур переменной арности
• 17: обобщенный set!
• 18: поддержка многопоточности
• 19: типы данных и процедуры работы со временем
• 25: многомерные массивы
• 26: нотация для фиксации аргументов процедуры без каррирования
• 27: источники случайных битов
• 28: базовое форматирование строк
• 29: локализация
• 30: вложенные многострочные комментарии
• 31: специальная форма рекурсивного выполнения
• 37: args-fold: процессор аргументов программы
• 39: parameter objects
• 41: потоки данных
• 42: eager comprehensions
• 43: библиотека векторов
• 45: примитивы для выражения ленивых итерационных алгоритмов
• 60: битовые операции
• 61: более общий cond
• 66: векторы октетов
• 67: процедуры сравнения

Основные реализации

GNU Guile — язык расширений проекта GNU — интерпретатор Scheme, реализованный как библиотека, позволяющая приложениям создавать внутренний интерпретатор Scheme.

Язык Racket изначально являлся реализацией Scheme (первое наименование — PLT Scheme).

MIT Scheme — свободная (GPL) реализация для платформы x86 под Linux, FreeBSD, IBM OS/2, и Win32.

Chicken Scheme^[англ.] — интерпретатор, поддерживающий трансляцию в Си.

JScheme — интерпретатор, написанный на Java;

Kawa — компилятор Scheme в байт-код JVM.

Компилятор Chez Scheme длительное время поставлялся как коммерческий продукт, с 2016 года стал свободно распространяемым (Apache).

Всего существует большое количество реализаций языка для разных платформ, в частности, есть интерпретатор Armpit Scheme для микроконтроллеров на базе архитектуры ARM^[5].

Примечания

1. https://small.r7rs.org/
2. Richard Kelsey; William Clinger; Jonathan Rees; Rozas, G.J.; Adams Iv, N.I.; Friedman, D.P.; Kohlbecker, E.; Steele Jr., G.L.; Bartley, D.H. Revised⁵ Report on the Algorithmic Language Scheme (англ.) // Higher-Order and Symbolic Computation : journal. — 1998. — August (vol. 11, no. 1). — P. 7—105. — doi:10.1023/A:1010051815785. Архивировано 5 января 2007 года.
3. William D Clinger. SRFI 6: Basic String Ports  (неопр.). The SRFI Editors, schemers.org (1 июля 1999). Дата обращения: 9 августа 2012. Архивировано 21 октября 2021 года.
4. Scheme Systems Supporting SRFIs  (неопр.). The SRFI Editors, schemers.org (30 августа 2009). Дата обращения: 9 августа 2012. Архивировано 20 июня 2021 года.
5. A Scheme Interpreter for ARM Microcontrollers  (неопр.). Дата обращения: 30 декабря 2014. Архивировано 30 декабря 2014 года.

Литература

• Structure and Interpretation of Computer Programs (англ.)
• Видео-лекции «Structure and Interpretation of Computer Programs», Harold Abelson и Gerald Jay Sussman (англ.)
• The Scheme Programming Language, R. Kent Dybvig (англ.)
• Учебник HtDP (How to Design Programs, Second Edition)

Ссылки

• A large collection of Scheme resources. Большая коллекция ресурсов по Scheme.
• Сообщество schemewiki.org