簡易LISP処理系の実装例（Python版）

【他言語版へのリンク記事】簡易LISP処理系の実装例【各言語版まとめ】

この記事は，下記拙作記事のPython版を抜粋・修正したものを利用した，原初LISP処理系（"McCarthy's Original Lisp"）の実装例をまとめたものです．

• 『括弧文字列』簡易パーサ実装例まとめ
• リスト処理関数（cons,car,cdr,eq,atom）実装例まとめ

最低限の機能をもったLISP処理系の実装の場合，本体である評価器（eval）実装はとても簡単であり，むしろ，字句・構文解析を行うS式入出力やリスト処理実装の方が開発言語ごとの手間が多く，それが敷居になっている人向けにまとめています．

処理系の概要

実行例は次の通り．Python2ではinput()をraw_input()に読み替えて下さい．

$ python3 -i jmclisp.py
>>> s_rep("(car (cdr '(10 20 30)))")
'20'
>>> s_rep(input())
((lambda (x) (car (cdr x))) '(abc def ghi))
'def'
>>> s_rep("((lambda (f x y) (f x (f y '()))) 'cons '10 '20)")
'(10 20)'
>>> s_rep("((lambda (f x y) (f x (f y '())))     \
...        '(lambda (x y) (cons x (cons y '()))) \
...        '10 '20)")
'(10 (20 ()))'
>>> s_rep("((lambda (assoc k v) (assoc k v)) \
...        '(lambda (k v)                    \
...           (cond ((eq v '()) nil)         \
...                 ((eq (car (car v)) k)    \
...                  (car v))                \
...                 ('t (assoc k (cdr v))))) \
...        'Orange \
...        '((Apple . 120) (Orange . 210) (Lemon . 180)))")
'(Orange . 210)'

実装内容は次の通り．

• "McCarthy's Original Lisp"をベースにした評価器
• 数字を含むアトムは全てシンボルとし，変数の値とする場合はquote（'）を使用
• 構文としてquoteの他，condとlambdaが使用可能
• 組込関数：atom eq cons car cdr（内部でコンスセルを作成）
• 真偽値はt（真）およびnil（偽）＝空リスト＝None
• エラーチェックなし，モジュール化なし，ガーベジコレクションなし

"McCarthy's Original Lisp"の詳細についてはまとめ記事を参照．ダイナミックスコープということもあり，実行例ではlambda式をletrec（Scheme）やlabels（Common Lisp）などの代わりに使用しています．

#実装例

##ソースコード一式

jmclisp.py

#
# JMC Lisp: defined in McCarthy's 1960 paper,
# with S-expression input/output and basic list processing
#


# basic list processing: cons, car, cdr, eq, atom

def cons(x, y): return (x, y)
def car(s): return s[0]
def cdr(s): return s[1]
def eq(s1, s2): return s1 == s2
def atom(s): return isinstance(s, str) or eq(s, None) or isinstance(s, bool)


# S-expression input: s_read

def s_lex(s):
    for p in "()'": s = s.replace(p, " " + p + " ")
    return s.split()

def s_syn(s):
    def quote(x):
        if len(s) != 0 and s[-1] == "'":
            del s[-1]
            return cons("quote", cons(x, None))
        else: return x
    t = s[-1]
    del s[-1]
    if t == ")":
        r = None
        while s[-1] != "(":
            if s[-1] == ".":
                del s[-1]
                r = cons(s_syn(s), car(r))
            else: r = cons(s_syn(s), r)
        del s[-1]
        return quote(r)
    else: return quote(t)

def s_read(s): return s_syn(s_lex(s))


# S-expression output: s_string

def s_strcons(s):
    sa_r = s_string(car(s))
    sd = cdr(s)
    if eq(sd, None):
        return sa_r
    elif atom(sd):
        return sa_r + " . " + sd
    else:
        return sa_r + " " + s_strcons(sd)

def s_string(s):
    if   eq(s, None):  return "()"
    elif eq(s, True):  return "t"
    elif eq(s, False): return "nil"
    elif atom(s):
        return s
    else:
        return "(" + s_strcons(s) + ")"


# JMC Lisp evaluator: s_eval

def caar(x): return car(car(x))
def cadr(x): return car(cdr(x))
def cadar(x): return car(cdr(car(x)))
def caddr(x): return car(cdr(cdr(x)))
def caddar(x): return car(cdr(cdr(car(x))))

def s_null(x): return eq(x, None)

def s_append(x, y):
    if s_null(x): return y
    else: return cons(car(x), s_append(cdr(x), y))

def s_list(x, y): return cons(x, cons(y, None))

def s_pair(x, y):
    if s_null(x) and s_null(y): return None
    elif (not atom(x)) and (not atom(y)):
        return cons(s_list(car(x), car(y)), s_pair(cdr(x), cdr(y)))

def s_assoc(x, y):
    if eq(caar(y), x): return cadar(y)
    else: return s_assoc(x, cdr(y))

def s_eval(e, a):
    if   eq(e, "t"):   return True
    elif eq(e, "nil"): return False
    elif atom(e): return s_assoc(e, a)
    elif atom(car(e)):
        if   eq(car(e), "quote"): return cadr(e)
        elif eq(car(e), "atom"):  return atom(s_eval(cadr(e), a))
        elif eq(car(e), "eq"):    return eq(  s_eval(cadr(e), a),
                                              s_eval(caddr(e), a))
        elif eq(car(e), "car"):   return car( s_eval(cadr(e), a))
        elif eq(car(e), "cdr"):   return cdr( s_eval(cadr(e), a))
        elif eq(car(e), "cons"):  return cons(s_eval(cadr(e), a),
                                              s_eval(caddr(e), a))
        elif eq(car(e), "cond"):  return evcon(cdr(e), a)
        else: return s_eval(cons(s_assoc(car(e), a), cdr(e)), a)
    elif eq(caar(e), "lambda"):
        return s_eval(caddar(e),
                      s_append(s_pair(cadar(e), evlis(cdr(e), a)), a))
    else: print("Error")

def evcon(c, a):
    if s_eval(caar(c), a): return s_eval(cadar(c), a)
    else: return evcon(cdr(c), a)

def evlis(m, a):
    if s_null(m): return None
    else: return cons(s_eval(car(m), a), evlis(cdr(m), a))


# REP (no Loop): s_rep
def s_rep(e): return s_string(s_eval(s_read(e), s_read("()")))

##解説

• リスト処理：cons car cdr eq atom
  先の記事のタプル定義版をほぼそのまま抜粋．

• S式入力：s_read
  先の記事から，字句解析部を()および'の識別に変更（s_lex），抽象構文木生成部をドット対とクォート記号対応としつつ，リスト処理関数でコンスセルによる構文木を生成するよう変更（s_syn），それらをまとめたS式入力関数s_readを定義．

• S式出力：s_string
  S式出力部は新規に作成．内部ではNoneである空リストは()を，真偽値はt nilを出力するよう設定．

• 評価器：s_eval＋ユーティリティ関数
  "McCarthy's Original Lisp"をベースにs_eval関数およびユーティリティ関数を作成．

• REP (no Loop)：s_rep
s_read→s_eval→s_stringをまとめたs_repを定義．

#備考

##記事に関する補足

• 初版のSICP 4.1ベースの評価器実装例（レキシカルスコープ／クロージャ対応）は，GitHubのこちらに移動．なお，評価器のみの場合，SICP 4.1版は約70行／2400バイトほど，現在のjmc.lisp版は約50行／1900バイトほど．

##更新履歴

• 2020-10-21：リポジトリの位置の変更に伴いリンクを修正
• 2020-09-11：実装例をソースコード一式＋解説の構成に変更
• 2020-09-08：評価器実装を"McCarthy's Original Lisp"ベースに変更
• 2020-09-07：実行例を修正
• 2020-09-07：初版公開