M言語からS表現への変換器

#はじめに
中西先生のM言語に関連したことをとりまとめていたところ、実際に自分でもM言語からS表現への変換器を作ってみようと思い立ちました。

#動作例
変換器はISLispで書かれています。ほぼ標準関数しか使っていませんので、多くのISLisp処理系で動くと思います。仕様にはないevalを使っている点にご注意ください。自作のEasy－ISLispでの動作を確認しています。

> (mexp)
Meta expression translater
M> (a b c).
(A B C)
M> car[(a b c)].
A
M> cdr[(a . b)].
B
M> square[x] <= *[x;x].
SQUARE
M> square[5].
25
M> fact[n] <= if[=[n;0];1;*[n;fact[-[n;1]]]].
FACT
M> fact[9].
362880
M> fact1[n] <=  [=[n;0] -> 1;t -> *[n;fact1[-[n;1]]]].
FACT1
M> fact1[3].
6
M> quit[].
T
>

#M言語の仕様
以下のページを参考にしました。
https://en.wikipedia.org/wiki/M-expression
https://ipfs.io/ipfs/QmXoypizjW3WknFiJnKLwHCnL72vedxjQkDDP1mXWo6uco/wiki/M-expression.html

大文字のシンボルはS表現と解釈されます。また、（　）丸括弧が使われるとS表現と解釈されます。
例
A　（A B C)

関数はシンボルに引数を表す角括弧を付けたリストを与えます。リストの区切りはスペースではなく、セミコロン；です。

関数定義は次のようになります。
label[square;λ[[x];product[x;x]]]

cond節は次のようになります。
[lessthan[x;0] → negative[x]; T → x]

#中西先生の仕様

「Lisp入門　－システムとプログラミング」　第2版　p155　M言語に近い言語　を参考にしています。

M言語では小文字を原則としていますが、大文字とされています。Common　Lispと同様に当時の端末の制約に由来するものだと思います。

M式の中のS表現には’記号をつけます。上記のように大文字と小文字が区別できませんから、本来のM言語のように大文字をS表現とすることができません。KANAYAMAはM言語ではKANAYAMAですが、これにquoteを付けることで解決しているようです。

例
CONS[X;'KANAYAMA]

条件式の右向き→は　->と書きます。

関数の定義は次のように書きます。　fn[x1;...xn] <= e
fnは関数名、各xiは変数名、eは式です。

コメント行は先頭に　！記号を入れます。

解説はないのですが、１つのM式の最後にはピリオドを入れることになっているようです。

#本変換器の独自仕様

中西先生の本のコード、説明にできるだけ忠実に従いました。

小文字でも入力可能です。小文字は大文字に変換しています。ISLispはCL同様、大文字のシンボルしか扱えないためです。

！記号のコメントは行先頭でなくても使えるようにしてあります。

四則演算とべき乗につき中置記法を可能にしています。

M> 1^2+3^4.
82
M>

ラムダ式は次のいずれかで表現します。

M> lambda[[x;y] x+y][1;2].
3
M> ^[[x;y] x+y][1;2].
3
M> 

文字列も扱えるようにしてあります。ファイルに書き込んだM言語をloadするときにには、

M> load["foo.lsp"].
T

のようにしてください。

変換器を終わらせるときにはquit[].としてください。

M> quit[].
T
> 

#感想
中西正和先生は日本のLisp黎明期において教育、研究に尽力なさいました。残念なことに早くにお亡くなりになったために、その業績はあまり知られていないようです。M言語の処理系は実際には作られなかったというのが通説とされてしまっています。若いLisper、Schemerに誤解されているようです。

中西先生の業績が広く知られますことに期待します。先生の多大な功績に敬意を表します。

#コード

;;M言語からS表現への変換器


(defglobal buffer nil)
(defglobal input-stream (standard-input))

(set-property 500 'weight '+)
(set-property 500 'weight '-)
(set-property 400 'weight '*)
(set-property 400 'weight '/)
(set-property 300 'weight '^)
(set-property 'yfx 'type '+)
(set-property 'yfx 'type '-)
(set-property 'yfx 'type '*)
(set-property 'yfx 'type '/)
(set-property 'xfy 'type '^)
(set-property '+ 'sexp '+)
(set-property '- 'sexp '-)
(set-property '* 'sexp '*)
(set-property 'quotient 'sexp '/)
(set-property 'expt 'sexp '^)

(defun get-weight (x)
  (property 'weight x))

(defun get-type (x)
  (property 'type x))

(defun get-sexp (x)
  (property 'sexp x))

(defun mexp ()
  (initialize)
  (repl))

(defun repl ()
  (block repl
    (cond ((catch 'exit
             (for ((s (parse)(parse)))
                  ((equal s '(quit)) (return-from repl t))
                  (if (and (consp s)(eq (elt s 0) 'load))
                      (format (standard-output) "~A~%" (ignore-errors (load* (elt s 1))))
                      (format (standard-output) "~A~%" (ignore-errors (eval s))))
                  (prompt))) t)
          (t (prompt)(repl)))))

;;初期化
;;メッセージを表示し、プロンプトを表示する
(defun initialize ()
  (setq buffer nil)
  (format (standard-output) "Meta expression translater~%")
  (prompt))


;;プロンプトを表示する
(defun prompt ()
  (format (standard-output) "M> "))

;;エラー処理
(defun error* (msg arg)
  (format (standard-output) msg)
  (format (standard-output) "~A" arg)
  (format (standard-output) "~%")
  (setq buffer nil)
  (if (not (eq input-stream (standard-input)))
      (close input-stream))
  (setq input-stream (standard-input))
  (throw 'exit nil))

;;ファイルからM言語を読み取り、評価する
(defun load* (file)
  (let ((exp nil))
    (setq input-stream (open-input-file file))
    (setq exp (parse))
    (while (not (and (stringp exp)(string= exp "the end")))
           (eval exp)
           (setq exp (parse)))
    (close input-stream)
    (setq input-stream (standard-input))
    t))

;;M言語をストリームより読み込んでS式に変換する。
;;end-of-fileのときには文字列"the end"を返す。
(defun parse ()
  (let ((exp (mexp-read))
        (ope (get-token))
        (terminal nil))
    (cond ((and (stringp exp)(string= exp "the end")) exp) ;end of file
          ((and (symbolp ope) (eq ope '<=))
           (let ((result (list 'defun (car exp) (cdr exp) (mexp-read))))
             (setq terminal (get-token))
             (if (not (terminalp terminal))
                 (error* "Syntax error expected period " terminal))         
             result))
          ((terminalp ope)
           exp)
          (t (error* "Syntax error " ope)))))

;;M言語を標準入力から読み取りS表現にして返す。
;;クォート記号を読み取った場合には直後はS表現とみなす。
;;ストリームからend-of-fileを受け取ったときには文字列"the end"を返す。
(defun mexp-read ()
  (let ((token (get-token))
        (result nil))
    (cond ((end-of-file-p token) token) ;end of file
          ((and (characterp token)(char= token #\[))
           (setq result (mexp-read-list))
           (if (eq (elt result 1) '->)
               (convert-to-cond result)
               result))
          ((and (symbolp token)(or (eq token 'lambda)
                                   (eq token '^)))
           (if (not (char= (get-token) #\[))
               (error* "Syntax error expected [" token))
           (if (not (char= (get-token) #\[))
               (error* "Syntax error expected ]" token))
           (setq result (list 'lambda (mexp-read-list) (mexp-read)))
           (if (not (char= (get-token) #\[))
               (error* "Syntax error expected ]" token))
           (cond ((char= (look) #\[)
                  (get-token)
                  (cons result (mexp-read-list)))))
          ((and (symbolp token)(char= (look) #\[))
           (get-token)
           (setq result (cons token (mexp-read-list)))
           (if (operator-char-p (look))
               (formula result (get-token))
               result))
          ((and (symbolp token)(operator-char-p (look)))
           (formula token (get-token)))
          ((symbolp token) token)
          ((and (numberp token)(operator-char-p (look)))
           (formula token (get-token))) 
          ((and (characterp token)(char= token #\())
           (setq result (list 'quote (sexp-read-list)))
           (if (and (not (char= (look) #\.))
                    (not (char= (look) #\;))
                    (not (char= (look) #\])))
               (error* "Syntax error expected ; or ] " result))
           result)
          ((and (characterp token)(char= token #\'))
           (list 'quote (sexp-read)))
          ((delimiterp token)
           (error* "M-exp illegal object " token))
          (t token))))


(defun formula (operand1 operator)
  (formula1 operand1 (formula-read) operator (get-weight operator) (get-type operator)))

(defun formula1 (operand1 operand2 operator weight type)
  (let ((token (formula-read))) 
    (cond ((end-of-file-p token) token)
          ((delimiterp token)
           (ungetc token)
           (list (get-sexp operator) operand1 operand2))
          ((and (operatorp token)(not (null operator))
                (> weight (get-weight token)))
           (formula1 operand1 (list (get-sexp token) operand2 (formula-read)) operator weight type))
          ((and (operatorp token)(not (null operator))
                (< weight (get-weight token)))
           (formula1 (list (get-sexp operator) operand1 operand2) (formula-read) token weight type))
          ((and (operatorp token)(not (null operator))
                (eq type 'yfx)(= (get-weight token) weight))
           (formula1 (list (get-sexp operator) operand1 operand2) (formula-read) token weight type))
          ((and (operatorp token)(not (null operator))
                (eq type 'xfy)(= (get-weight token) weight))
           (formula1 operand1 (formula1 operand2 (formula-read) token (get-weight token)(get-type token))
                     operator weight type))
          (t (error* "Syntax error illegal formula" token)))))


(defun formula-read ()
  (let ((token (get-token)))
    (cond ((end-of-file-p token) token)
          ((delimiterp token) token)
          ((operatorp token) token)
          ((numberp token) token)
          ((and (symbolp token)(not (null buffer))(char= (look) #\[))
           (getc)
           (cons token (mexp-read-list)))
          ((symbolp token) token)
          (t (error* "Syntax error illegal formula element" token)))))    

(defun convert-to-cond (ls)
  (cond ((atom ls) ls)
        ((and (consp ls)(< (length ls) 3)) ls)
        ((and (consp ls)(>= (length ls) 3)(not (eq (elt ls 1) '->))) ls)
        (t (cons 'cond (convert-to-cond1 ls)))))

(defun convert-to-cond1 (ls)
  (cond ((null ls) nil)
        ((< (length ls) 3) ls)
        (t (cons (list (elt ls 0)(convert-to-cond (elt ls 2)))
                 (convert-to-cond1 (cdr (cdr (cdr ls))))))))

;;cond節を表す->記号があるときは [a -> b;c -> d] = (a -> b c -> d)のように
;;変換する。
(defun mexp-read-list ()
  (let ((token (get-token))
        (result nil))
    (cond ((and (characterp token)(char= token #\])) nil)
          ((and (characterp token)(char= token #\[))
           (cons (mexp-read-list)(mexp-read-list)))
          ((and (characterp token)(char= token #\;)) 
           (mexp-read-list))
          ((and (symbolp token)(eq token '->))
           (cons token (mexp-read-list)))
          ((and (symbolp token)(char= (look) #\[))
           (get-token)
           (cons (cons token (mexp-read-list))
                 (mexp-read-list)))
          ((and (characterp token)(char= token #\())
           (setq result (sexp-read-list))
           (if (and (not (char= (look) #\-)) ;; check for ->
                    (not (char= (look) #\;))
                    (not (char= (look) #\])))
               (error* "Syntax error expected ; or ] " result))
           (cons (list 'quote result) (mexp-read-list)))
          ((and (characterp token)(char= token #\'))
           (cons (list 'quote (sexp-read)) (mexp-read-list)))
          ((numberp token)
           (if (operator-char-p (look))
               (cons (formula token (get-token))(mexp-read-list))
               (cons token (mexp-read-list))))
          ((symbolp token)
           (if (and (operator-char-p (look))(not (char= (look1) #\>)))
               (cons (formula token (get-token))(mexp-read-list))
               (cons token (mexp-read-list))))
          ((stringp token)
           (if (and (not (char= (look) #\-)) ;; check for ->
                    (not (char= (look) #\;))
                    (not (char= (look) #\])))
               (error* "Syntax error expected ; or ] " token))
           (cons token (mexp-read-list)))
          (t (error* "M-exp illegal object" token)))))



;;S表現を読み取る
(defun sexp-read ()
  (let ((token (get-token)))
    (cond ((and (characterp token)(char= token #\())
           (sexp-read-list))
          (t token))))

;;S表現のリストを読み取る
(defun sexp-read-list ()
  (let ((token nil)
        (result nil))
    (setq token (get-token))
    (cond ((and (characterp token)(char= token #\))) nil)
          ((and (characterp token)(char= token #\())
           (cons (sexp-read-list)(sexp-read-list)))
          ((char= (look) #\.)
           (get-token)
           (setq result (cons token (sexp-read)))
           (get-token)
           result)
          ((atom token)
           (cons token (sexp-read-list))))))

;;トークンを読み取る。
;;　1.1のようにピリオドの後が空でない場合には浮動小数点数と考える
;;  1e-1 のような形式の浮動小数点数を切り出す。
;;[]()のような区切り記号に達した場合にはその文字をバッファに戻す
;;end-of-fileの場合には"the end"を返す。
(defun get-token ()
  (block exit
    (let ((token nil)
          (char nil))
      (setq char (space-skip))
      (if (end-of-file-p char)
          (return-from exit char))
      (setq char (getc))
      (if (end-of-file-p char)
          (return-from exit char))
      (cond ((delimiterp char) char)
            ((operator-char-p char)
             (cond ((and (char= char #\-)(char= (look) #\>))
                    (getc)
                    '->)
                    (t (convert-to-atom (list char)))))
            ((char= char #\")
             (setq token (cons char token))
             (setq char (getc))
             (while (not (char= char #\"))
                    (setq token (cons char token))
                    (setq char (getc)))
             (setq token (cons char token))
             (convert-to-atom (reverse token)))
            (t (while (and (not (delimiterp char))
                           (not (operator-char-p char)))
                      (setq token (cons char token))
                      (setq char (getc)))
               (cond ((and (char= char #\.)(not (null buffer))(number-char-p (look)))
                      (setq token (cons char token))
                      (setq char (getc))
                      (while (and (not (delimiterp char))
                                  (not (operator-char-p char)))
                             (setq token (cons char token))
                             (setq char (getc))))
                     ((and (char= char #\+)(char= (car token) #\e))
                      (setq token (cons char token))
                      (setq char (getc))
                      (while (and (not (delimiterp char))
                                  (not (operator-char-p char)))
                             (setq token (cons char token))
                             (setq char (getc))))
                     ((and (char= char #\-)(char= (car token) #\e))
                      (setq token (cons char token))
                      (setq char (getc))
                      (while (and (not (delimiterp char))
                                  (not (operator-char-p char)))
                             (setq token (cons char token))
                             (setq char (getc)))))
               (ungetc char)
               (convert-to-atom (reverse token)))))))

;;文字リストを各種のアトムに変換する
(defun convert-to-atom (ls)
  (cond ((string-list-p ls)
         (convert-to-string (cut-both-side ls)))
        ((integer-list-p ls)
         (convert-to-integer ls))
        ((float-list-p ls)
         (convert-to-float ls))
        (t (convert-to-symbol ls))))

;;リストの両端をカットする。
(defun cut-both-side (ls)
  (reverse (cdr (reverse (cdr ls)))))

;;文字リストをシンボルに変換する
(defun convert-to-symbol (ls)
  (convert (convert-to-string ls) <symbol>))

;;文字リストを文字列に変換する。
;;シンボルは大文字に変換される
(defun convert-to-string (ls)
  (if (null ls)
      ""
      (string-append (convert (uppercase (car ls)) <string>)
                     (convert-to-string (cdr ls)))))

;;アルファベット小文字を大文字に変換する
;;アルファベット以外はそのまま
(defun uppercase (x)
  (cond ((char= x #\a) #\A)
        ((char= x #\b) #\B)
        ((char= x #\c) #\C)
        ((char= x #\d) #\D)
        ((char= x #\e) #\E)
        ((char= x #\f) #\F)
        ((char= x #\g) #\G)
        ((char= x #\h) #\H)
        ((char= x #\i) #\I)
        ((char= x #\j) #\J)
        ((char= x #\k) #\K)
        ((char= x #\l) #\L)
        ((char= x #\m) #\M)
        ((char= x #\n) #\N)
        ((char= x #\o) #\O)
        ((char= x #\p) #\P)
        ((char= x #\q) #\Q)
        ((char= x #\r) #\R)
        ((char= x #\s) #\S)
        ((char= x #\t) #\T)
        ((char= x #\u) #\U)
        ((char= x #\v) #\V)
        ((char= x #\w) #\W)
        ((char= x #\x) #\X)
        ((char= x #\y) #\Y)
        ((char= x #\z) #\Z)
        ((char= x #\_) #\-)
        (t x)))

;;文字リストを整数に変換する
(defun convert-to-integer (ls)
  (convert (convert-to-string ls) <integer>))

;;文字リストを浮動小数点数に変換する
(defun convert-to-float (ls)
  (convert (convert-to-string ls) <float>))

;;ファイルストリームの終わりであればtを、そうでなければnilを返す
(defun end-of-file-p (x)
  (if (and (stringp x)(string= x "the end"))
      t
      nil))

;;引数が区切り記号であればtを、そうでなければnilを返す
(defun delimiterp (c)
  (if (and (characterp c)
           (member c '(#\space #\[ #\] #\( #\) #\; #\, #\' #\.)))
      t
      nil))
  
;;M言語の終端記号であるピリオドであればtを、そうでなければnilを返す
(defun terminalp (c)
  (and (characterp c)(char= c #\.)))

;;演算子の文字のときにtを、そうでなければnilを返す
(defun operator-char-p (c)
  (if (and (characterp c)(member c '(#\+ #\- #\* #\/ #\^)))
      t
      nil))

;;左カッコのときにtを、そうでなければnilを返す
(defun left-paren-p (c)
  (if (and (characterp c)(char= #\())
       t
       nil))

;;右カッコのときにtを、そうでなければnilを返す
(defun right-paren-p (c)
  (if (and (characterp c)(char= #\)))
       t
       nil))

;;演算子のシンボルのときにtを、そうでなければnilを返す
(defun operatorp (x)
  (if (member x '(+ - * / ^))
      t
      nil))

;;スペース文字お呼びタブ文字を読み飛ばす。
;;end-of-fileに達した場合には文字列"the end"を返す。
(defun space-skip ()
  (block exit
    (let ((char nil))
      (setq char (getc))
      (if (and (stringp char)(string= char "the end"))
          (return-from exit char))
      (while (or (char= char #\space)
                 (char= char #\tab))
             (setq char (getc))
             (if (and (stringp char)(string= char "the end"))
                 (return-from exit char)))
      (ungetc char))))


;;バッファから1文字を取り出す。バッファが空ならばストリームより読み取る
;; !マークがあった場合にはバッファを廃棄、新たな文字を読み取る
;;end-of-fileの場合には"the end"を返す。
(defun getc ()
  (block exit
    (let ((input nil)
          (result nil))
      (while (null buffer)
             (setq input (read-line input-stream nil "the end"))
             (if (end-of-file-p input)
                 (return-from exit "the end")
                 (setq buffer (convert input <list>))))
      (cond ((char= (car buffer) #\!)
             (setq input (read-line input-stream nil "the end"))
             (if (end-of-file-p input)
                 (return-from exit "the end")
                 (setq buffer (convert input <list>)))))
      (setq result (car buffer))
      (setq buffer (cdr buffer))
      result)))

;;1文字を戻す。
(defun ungetc (c)
  (setq buffer (cons c buffer)))

;;バッファの先頭要素を覗き見る
;;バッファが空ならばピリオド文字を返す
(defun look ()
  (block exit
    (let ((max (length buffer)))
      (if (null buffer)
          (return-from exit #\.))
      (for ((pos 0 (+ pos 1)))
           ((>= pos max) nil)
           (if (not (char= (elt buffer pos) #\space))
               (return-from exit (elt buffer pos)))))))

;;lookのもうひとつ先を読む
(defun look1 ()
  (block exit
    (let ((max (length buffer)))
      (if (null buffer)
          (return-from exit #\.))
      (for ((pos 0 (+ pos 1)))
           ((>= pos max) nil)
           (if (not (char= (elt buffer pos) #\space))
               (return-from exit (elt buffer (+ pos 1))))))))

;;文字リストが文字列を表すならばtを、そうでなければnilを返す
(defun string-list-p (ls)
  (and (char= (car ls) #\")
       (char= (car (reverse ls)) #\")))

;;文字リストが整数を表しているならばtを、そうでなければnilを返す
(defun integer-list-p (ls)
  (cond ((char= (car ls) #\+)
         (integer-list-p1 (cdr ls)))
        ((char= (car ls) #\-)
         (integer-list-p1 (cdr ls)))
        (t (integer-list-p1 ls))))

;;整数は必ず1文字の数文字から構成されていなければならない
(defun integer-list-p1 (ls)
  (cond ((null ls) nil)
        ((and (number-char-p (car ls))(null (cdr ls))) t)
        ((not (number-char-p (car ls))) nil)
        (t (integer-list-p1 (cdr ls)))))

;;文字リストが浮動小数点数を表しているならばtを、そうでなければnilを返す
(defun float-list-p (ls)
  (cond ((not (number-char-p (car ls))) nil)
        ((char= (car ls) #\+)
         (float-list-p1 (cdr ls)))
        ((char= (car ls) #\-)
         (float-list-p1 (cdr ls)))
        (t (float-list-p1 ls))))

;;浮動小数点数は 123.4、123e4、123e+4、123e-4のような形式とする
(defun float-list-p1 (ls)
  (cond ((null ls) nil)
        ((char= (car ls) #\.)
         (integer-list-p (cdr ls)))
        ((char= (car ls) #\e)
         (integer-list-p (cdr ls)))
        ((not (number-char-p (car ls))) nil)
        (t (float-list-p1 (cdr ls)))))

(defun number-char-p (x)
  (and (char>= x #\0)
       (char<= x #\9)))