Scheme 元编程

同相性概述

同相性（homoiconicity）指的是，程序和程序所操作的数据采用统一的编码格式。在 Lisp 语言中，S 表达式实现了这一特性。例如：

(fn x)

既可以被看作是代码，表示调用函数 fn，传入参数 x；也可以看作是数据，一个由符号 fn 和 x 组成的列表。

这一特性使我们能够像操作数据一样操作代码，从而方便地实现代码转换。例如：

(fn x) 可被转换为 (begin (display x) (fn x))，然后再执行。
定义变量时，可以将 (define-with-display (f a) (g a)) 转换为：

(define (f a) 
  (display a)
  (g a))

这种在代码层面上的转换被称为宏（macro）。

定义宏的基本方法

Scheme 是 Lisp 的一个精简方言，使用 define-syntax 来定义宏。本质上，宏是一个特殊的标识符，与一个转换器函数相关联。

在 Scheme 的表达式求值过程中，分为三个阶段：

读取期：读取并解析代码。
宏展开期：在遇到宏调用时，调用相关联的转换器，生成新的代码。
运行期：对宏展开后的代码求值。

在解释器中，宏展开和表达式求值可能交替进行；而在编译器中，它们通常是独立的阶段。

示例：定义一个宏 `or`

以下代码定义了一个宏 or，用于对 (or ...) 表达式进行转换：

(define-syntax or
  (syntax-rules ()
    [(_) #f]
    [(_ e) e]
    [(_ e1 e2 e3 ...)
     (let ([t e1])
       (if t t (or e2 e3 ...)))]))

转换规则：

(or) 转换为 #f。
(or a) 转换为 a。
(or a b) 转换为 (let ([t a]) (if t t (or b)))。

宏展开支持递归调用，例如 (or a b c) 会被逐步展开。

模式匹配

syntax-rules 使用模式匹配来定义转换器。每条规则的格式为 [模式模板]，当某个模式匹配成功时，按模板进行转换。例如：

[(_ e) e]

模式：(_ e)，其中 _ 是通配符。
模板：e。

这一规则可以将 (or a) 转换为 a。

模式中的省略号 ... 表示重复匹配。例如：

(_ e1 e2 e3 ...)

匹配 (or a b c) 后，e1 对应 a，e2 对应 b，e3 对应 c，模板中的 ... 会填充匹配的值。

转换器函数

另一种定义宏的方法是显式指定转换器函数。例如：

(define-syntax r
  (lambda (x)
    (display x)
    (display "\n")
    #t))

在 REPL 中，执行 r 会显示：

#<syntax r>
#t

使用 `syntax-case` 进行复杂转换

syntax-case 是 Scheme 中用于处理语法对象的特殊形式。以下是用 syntax-case 定义宏 or 的示例：

(define-syntax or
  (lambda (x)
    (syntax-case x ()
      [(_) #'#f]
      [(_ e) #'e]
      [(_ e1 e2 e3 ...)
       #'(let ([t e1]) (if t t (or e2 e3 ...)))])))

#' 是 (syntax ...) 的简写，用于生成语法对象。

语法对象与作用域

语法对象（syntax object）封装了标识符的作用域信息，用以保证 Scheme 宏的卫生性（hygiene）。

语法对象在读取阶段由 (syntax ...) 创建，其简写为 #'，例如：

#'e

它会在读取阶段展开为 (syntax e)。

定义宏的宏

syntax-rules 本身也是一个宏，它最终被展开为 syntax-case。例如：

(define-syntax syntax-rules
  (lambda (x)
    (syntax-case x ()
      [(_ (i ...) ((keyword . pattern) template) ...)
       #'(lambda (x)
           (syntax-case x (i ...)
             [(_ . pattern) #'template] ...))])))

结语

Lisp 的宏强大而灵活，虽然宏仅仅是对代码的转换工具，却极大地简化了复杂逻辑的实现。