2. Теоретическая часть.

2.1 Основные особенности языка Лисп.

От других языков программирования Лисп отличается следующими свойствами:

1. одинаковая форма данных и программ;

2. хранение данных, не зависящее от места;

3. автоматическое и динамическое управление памятью;

4. функциональная направленность;

5. Лисп - бестиповый язык;

6. интерпретирующий и компилирующий режимы работы;

7. пошаговое программирование;

8. единый системный и прикладной язык программирования.

Теперь рассмотрим эти свойства более подробно.

Одинаковая форма данных и программ.

В Лиспе формы представления программы и обрабатываемых ею данных одинаковы. И то и другое представляется списочной структурой, имеющей одинаковую форму. Таким образом программы могут обрабатывать и преобразовывать другие программы и даже самих себя. В процессе трансляции можно введенное и сформированное в результате вычислений выражение данных проинтерпретировать в качестве программы и непосредственно выполнить. Это свойство обладает не только теоретическим, но и большим практическим значением.

Универсальный единообразный и простой лисповский синтаксис списка не зависит от применения, и с его помощью легко определять новые формы записи, представления и абстракции. Даже сама структура языка является, таким образом, расширяемой и может быть заново определена. В то же время достаточно просто написание интерпретаторов, компиляторов, редакторов и других средств. К Лиспу необходимо подходить как к языку, с помощью которого реализуются специализированные языки, ориентированные на приложение, и создается окружение более высокого уровня. Присущая Лиспу расширяемость не встречается в традиционных замкнутых языках программирования.

Хранение данных не зависящее от места.

Списки, представляющие программы и данные, состоят из списочных ячеек, расположение и порядок которых в памяти не существенны. Структура списка определяется логически на основе имен символов и указателей. Добавление новых элементов в список или удаление из списка может производиться без переноса списка в другие ячейки памяти. Резервирование о освобождение могут в зависимости от потребности осуществляться динамически, ячейка за ячейкой.

Автоматическое и динамическое управление памятью.

Пользователь не должен заботиться об учете памяти. Система резервирует и освобождает память автоматически в соответствии с потребностью. Когда память кончается, запускается специальный мусорщик. Мусорщик перебирает все ячейки и собирает являющиеся мусором ячейки в список свободной памяти для того, чтобы их можно было использовать заново. Cреда Лиспа постоянно содержится в порядке В современных Лисп-системах выполнение операции сборки мусора занимает от одной до нескольких секунд. В задачах большого объема сборщик мусора запускается весьма часто, что резко ухудшает временные характеристики прикладных программ. Во многих системах мусор не образуется, поскольку он сразу же учитывается. Управление памятью просто и не зависит от физического расположения, поскольку свободная память логически состоит из цепочки списочных ячеек.

В первую очередь данные обрабатываются в оперативной и виртуальной памяти, которая может быть довольно большой. Файлы используются в основном для хранения программ и данных в промежутках между сеансами

.

Функциональная направленность Лиспа.

Функциональное программирование, используемое в Лиспе, основывается на том, что в результате каждого действия возникает значение. Значения становятся элементами следующих действий, и конечный результат всей задачи выдается пользователю. Обойти это можно только при помощи специальной функции QUOTE. То обстоятельство, что результатом вычислений могут быть новые функции, является важным преимуществом Лиспа.

Лисп - бестиповый язык.

В Лиспе имена символов, переменных, списков, функций и других объектов не закреплены предварительно за какими- ни будь типами данных. Типы в общем не связаны с именами объектов данных, а сопровождают сами объекты. Переменные в различные моменты времени могут представлять различные объекты. В этом смысле Лисп является бестиповым языком.

Динамическая, осуществляемая лишь в процессе исполнения, проверка типа и позднее связывание допускают разностороннее использование символов и гибкую модификацию программ. Функции можно определять практически независимо от типов данных, к которым они применяются.

Но указанная бестиповость не означает, что в Лиспе нет данных различных типов. Наоборот набор типов данных наиболее развитых Лисп-систем очень разнообразен.

Одним из общих принципов развития Лисп-систем было свободное включение в язык новых возможностей и структур, если считалось, что они найдут более широкое применение. Это было возможно в связи с естественной расширяемостью языка.

Платой за динамические типы являются действия по проверке типа на этапе исполнения. В более новых Лисп-системах (Коммон Лисп) возможно факультативное определение типов. В этом случае транслятор может использовать эту информацию для оптимизации кода. В Лисп-машинах проверка осуществляется на уровне аппаратуры.

Интерпретирующий и компилирующий режимы работы.

Лисп в первую очередь интерпретируемый язык. Программы не нужно транслировать, и их можно исправлять в процессе исполнения. Если какой-то участок программы отлажен и не требует изменений то его можно оттранслировать, тогда она выполняется быстрее. В одной и той же программе могут быть транслированные и интерпретированные функции. Транслирование по частям экономит усилия программиста и время вычислительной машины.

Однако компилирующий режим предусмотрен далеко не во всех Лисп-системах, его использование накладывает ряд дополнительных ограничений на технику программирования.

Пошаговое программирование.

Программирование и тестирование программы осуществляется функция за функцией, которые последовательно определяются и тестируются. Написание, тестирование и исправление программы осуществляются внутри Лисп-системы без промежуточного использования ОС.

Вспомогательные средства, такие например как, редактор, трассировщик, транслятор и другие образуют общую интегрированную среду, язык которой нельзя отличить от системных средств. Отдельные средства по своему принципу являются прозрачными, чтобы их могли использовать другие средства. Работа может производиться часто на различных уровнях или в различных рабочих окнах. Такой способ работы особенно хорошо подходит для исследовательского программирования и быстрого построения прототипов.

Единый системный и прикладной языки программирования.

Лисп является одновременно как языком прикладного так и системного программирования. Он напоминает машинный язык тем, что как данные, так и программы представлены в одинаковой форме. Язык превосходно подходит для написания интерпретаторов и трансляторов как для него самого, так и для других языков. Наиболее короткий интерпретатор Пролога, написанный на Лиспе занимает несколько десятков строк.

Традиционно Лисп-системы в основной своей части написаны на Лиспе. Лисп можно в хорошем смысле считать языком машинного и системного программирования высокого уровня. И это особенно хорошо для Лисп-машин, которые вплоть до уровня аппаратуры спроектированы для Лиспа и системное программное обеспечение которых написано на Лиспе.

2.2 Понятия языка Лисп.

2.2.1 Атомы и списки.

Основная структура данных в Лиспе - символьные или S-выражения, которые определяются как атомы или списки.

Символы и числа представляют собой те объекты Лиспа, из которых строятся остальные структуры. Поэтому их называют атомами.

Символ - это имя, состоящее из букв, цифр и специальных знаков, которое обозначает какой-нибудь предмет, объект, действие из реального мира. В Лиспе символы обозначают числа, другие символы или более сложные структуры, программы (функции) и другие лисповские объекты.

Пример: х, г-1997, символ, function.

Числа не являются символами, так как число не может представлять иные лисповские объекты, кроме самого себя, или своего числового значения. В Лиспе используется большое количество различных типов чисел (целые, десятичные и т. д.) - 24, 35.6, 6.3 e5.

Символы T и NIL имеют в Лиспе специальное назначение: T обозначает логическое значение истина, а NIL - логическое значение ложь. Символы T и NIL имеют всегда одно и тоже фиксированное встроенное значение. Их нельзя использовать в качестве имен других лисповских объектов. Символ NIL обозначает также и пустой список.

Числа и логические значения T и NIL являются константами, остальные символы - переменными, которые используются для обозначения других лисповских объектов.

Список - это упорядоченная последовательность, элементами которой являются атомы или списки (подсписки). Списки заключаются в круглые скобки, элементы списка разделяются пробелами. Открывающие и закрывающие скобки находятся в строгом соответствии. Список всегда начинается с открывающей и заканчивается закрывающей скобкой. Список, который состоит из 0 элементов называют пустым и обозначают () или NIL. Пустой список - это атом. Например: (а в (с о) р), (+ 3 6).

Символ

Число T, NIL Списки

Константы

Атомы

S-выражения

Рис.2 Символьные выражения.

2.2.2 Внутреннее представление списка.

Оперативная память машины логически разбивается на маленькие области, называемые списочными ячейками. Списочная ячейка состоит из двух частей, полей CAR и CDR (головы и хвоста соответственно). Каждое из полей содержит указатель. Указатель может ссылаться на другую списочную ячейку или на другой лисповский объект, например, атом. Указатели между ячейками образуют как бы цепочку, по которой можно из предыдущей ячейки попасть в следующую и так до атомарных объектов. Каждый известный системе атом записан в определенном месте памяти лишь один раз. Указателем списка является указатель на первую ячейку списка. На одну и ту же ячейку может указывать несколько указателей, но исходить только один.

Графически списочная ячейка представляется прямоугольником (рис3), разделенным на части CAR и CDR. Указатель изображается в виде стрелки, начинающейся в одной из частей прямоугольника и заканчивающейся на изображении другой ячейки или атоме, на которые ссылается указатель.

Рис.3 Списочная ячейка.

Логически идентичные атомы содержатся в системе лишь один раз. Но логически идентичные списки могут быть представлены различными списочными ячейками. Например, список ((d c) a d c) изображается как показано на рис.4. В результате вычислений в памяти могут возникнуть структуры на которые нельзя потом сослаться. Это происходит, если структуры не сохранены с помощью функции SETQ или теряется ссылка на старое значение в связи с новым переприсваиванием.

A D C