JavaScript で Scheme インタプリタを作った話 — ブラウザ REPL・SICP 演習・デバッガまで

はじめに

「プログラミング言語の仕組みを理解したい」「SICP（計算機プログラムの構造と解釈）をブラウザで試したい」「Lisp マクロや call/cc を実際に動かしてみたい」——そんなとき、手元ですぐ動く Scheme 処理系があると便利です。

本記事では、JavaScript 単体で動作する Scheme インタプリタ scheme.js について紹介します。npm パッケージ名は scheme-js、MIT ライセンスで公開しています。

ブラウザ・Node.js の両方で動き、最近は次のような機能も揃えました。

GitHub Pages でオンラインデモ公開
SICP 演習専用 REPL（章ごとに 32 問の演習を実行）
ステップ実行デバッガ（評価過程を追跡）
JavaScript 相互運用（jsdot などの糖衣構文）
R5RS / R7RS 準拠の拡張

インストール不要で試せるので、まずはデモ URL から触ってみてください。

オンラインデモ: https://nsas454.github.io/scheme.js/

ページ	URL
トップ	https://nsas454.github.io/scheme.js/
機能デモ	https://nsas454.github.io/scheme.js/demo.html
REPL	https://nsas454.github.io/scheme.js/repl.html
SICP 演習 REPL	https://nsas454.github.io/scheme.js/sicp-repl.html
デバッガ	https://nsas454.github.io/scheme.js/debug.html

scheme.js とは

scheme.js は、純粋な JavaScript で書かれた Scheme インタプリタです。2014 年頃から開発が続いており、最近はモジュール分割・テスト整備・ブラウザ UI の充実を進めています。

設計上のこだわり

1. ファーストクラスの継続（`call/cc`）

継続は CPS（Continuation-Passing Style） で実装し、トランポリンで実行します。これにより:

捕捉した継続を変数に保存して何度でも再呼び出しできる
深い再帰でもスタックオーバーフローしにくい

;; 継続を変数に保存して再利用
(call/cc
  (lambda (k)
    (set! my-k k)
    42))
(my-k 99)   ; => 99

2. 真のクロージャーとマクロ

字句スコープに基づくクロージャー
define-macro（Lisp 風マクロ）
define-syntax / syntax-rules（衛生的マクロ、エリプシス ... 対応）

(define-macro (when test body)
  (list 'if test body 0))

(when (eq? 1 1) 42)   ; => 42

3. 数値タワー

多倍長整数・有理数・浮動小数・複素数をサポートします。

(* 1000000000000 1000000000000)   ; 正確な整数
(+ 1/3 1/6)                        ; => 1/2
(* 3+4i 1+2i)                      ; 複素数演算

4. 本物の cons セル

実行時のリストは Pair オブジェクトで表現されます。set-car! / set-cdr! による破壊的更新、ドット対、循環リストにも対応しています。

アーキテクチャ概要

ソースは src/ 以下にモジュール分割され、scripts/build.js で dist/schemInp.js に結合されます。

ソース文字列
  → Tokenizer / parse (parser.js)
  → AST (JavaScript 配列)
  → seval (CPS, evaluator.js)
       ↓ Bounce チェーン
  → trampoline (core.js) で反復実行
  → 結果値

モジュール	役割
`parser.js`	字句解析・S 式パース
`evaluator.js`	CPS 評価器・マクロ展開
`env.js`	環境・クロージャー
`continuations.js`	`call/cc`, `dynamic-wind`
`numbers.js`	数値タワー
`js_interop.js`	JavaScript 連携
`debugger.js`	ステップ実行・トレース
`runtime.js`	公開 API・REPL

興味がある方はリポジトリの docs/ARCHITECTURE.md も参照してください。

使い方

npm / Node.js

npm install scheme-js

const {
  scheme, scheme_run, repr,
  setGlobal, fromScheme, getGlobal
} = require('scheme-js');

console.log(scheme('(+ 1 2 3)'));   // => 6

// JavaScript オブジェクトを Scheme へ
setGlobal('config', { retries: 3 });
scheme('(jsdot config retries)');   // => 3

// Scheme 手続きを JavaScript 関数として
scheme('(define (double x) (* x 2))');
const double = fromScheme(getGlobal('double'));
double(21);   // => 42

CLI

npm install -g scheme-js
scheme-js examples/hello.scm
scheme-js -e "(display (+ 1 2))"
scheme-js    # 対話 REPL

ブラウザ — `<script type="text/scheme">`

HTML に Scheme を直接書けます。

<script src="dist/r7rs_large.js"></script>
<script src="dist/schemInp.js"></script>

<script type="text/scheme">
  (display (+ 1 2 3))
  (define (fact n)
    (if (= n 0) 1 (* n (fact (- n 1)))))
  (display (fact 10))
</script>

ブラウザ — REPL UI

<div id="repl"></div>
<script>
  scheme_repl_ui(document.getElementById('repl'));
</script>

scheme_repl_eval(code) で 1 式ずつ評価する API もあります。

今回作ったもの① — SICP 演習 REPL

SICP を学ぶとき、「教科書の演習をすぐ試したい」というニーズに応えるため、章ごとに演習を選んで実行できる専用 REPL を作りました。

URL: https://nsas454.github.io/scheme.js/sicp-repl.html

収録内容

章	演習数	例
第1章手続きによる抽象化	13 問	1.1 式の評価、1.7 平方根、1.43 `repeated`
第2章データによる抽象化	8 問	2.1 有理数、2.18 `reverse`、2.40 `unique-pairs`
第3章変異可能データ	7 問	3.1 口座、3.3 デジタル回路
第4章メタ言語的抽象	2 問	4.1 `eval`、4.4 quasiquote
第5章計算機による抽象	2 問	5.2 階乗、5.7 フィボナッチ
合計	32 問

本の全演習を網羅しているわけではなく、このインタプリタで動く代表例を章ごとに選んでいます。各演習は自己完結型のコードになっており、エディタで編集してから実行できます。

URL パラメータで直接開くこともできます。

https://nsas454.github.io/scheme.js/sicp-repl.html?ch=1&ex=1.7

演習 1.7（ニュートン法による平方根）の例

(define (square x) (* x x))
(define (average x y) (/ (+ x y) 2))
(define (improve guess x)
  (average guess (/ x guess)))
(define (good-enough? guess x)
  (< (abs (- (square guess) x)) 0.001))
(define (sqrt-iter guess x)
  (if (good-enough? guess x)
      guess
      (sqrt-iter (improve guess x) x)))
(define (sqrt x) (sqrt-iter 1.0 x))
(display (sqrt 2))

左のサイドバーで章を選び、演習をクリック → 実行ボタンで REPL に送って評価、という流れです。

今回作ったもの② — ステップ実行デバッガ

「この式がいつ評価されたか」「環境には何が束縛されているか」を学習者が追えるよう、CPS 評価器にフックしたデバッガを実装しました。

URL: https://nsas454.github.io/scheme.js/debug.html

F10 — 1 ステップ進む
F5 — 続行
評価イベント（eval / return / apply）を一覧表示
停止時の環境（変数束縛）を表示

JavaScript API からも使えます。

const { scheme_debug_start } = require('scheme-js');

const sess = scheme_debug_start('(+ 1 2)');
sess.start();
console.log(sess.currentEvent);  // { phase: 'eval', source: '(+ 1 2)', ... }
sess.step();
sess.continue();

SICP の「環境モデル」を学ぶとき、実行の流れを目で追えるのがポイントです。

今回作ったもの③ — JavaScript 相互運用

Node.js やブラウザの API を Scheme から自然に触れるよう、相互運用レイヤを強化しました。

糖衣構文

;; 従来
(js-call (js-ref (js-global) "Math") "abs" -3)

;; 現在
(jsdot (js-ref js-window "Math") abs -3)   ; => 3

(jslog "hello" 42)                          ; console.log
(jsdot! (jsnew Date 0) getFullYear)         ; new Date(0).getFullYear()

マクロ / 手続き	用途
`jsdot`	プロパティ参照・メソッド呼び出し
`jsdot!`	引数なしメソッド
`jslog`	`console.log`
`jsnew`	コンストラクタ呼び出し
`js-window`	グローバルオブジェクト

JavaScript から Scheme へ

setGlobal('user', { name: 'Alice', score: 100 });
scheme('(jsdot user name)');   // => "Alice"

今回作ったもの④ — GitHub Pages 公開

デモ・REPL・SICP REPL・デバッガを GitHub Actions で自動デプロイしています。

master ブランチへの push で:

npm run build で dist/ を生成
HTML と dist/ をサイト用にまとめる
GitHub Pages へデプロイ

ローカルでビルドする場合:

git clone https://github.com/nsas454/scheme.js.git
cd scheme.js
npm install
npm test          # ビルド + 全テスト
python3 -m http.server 8000
# http://localhost:8000 で各 HTML を開く

R5RS / R7RS 対応

R5RS 系（抜粋）

syntax-rules 衛生的マクロ
数値タワー（多倍長整数・有理数・複素数）
I/O ポート（文字列ポート、Node.js ではファイルポート）
dynamic-wind + 継続
内部 define の R5RS 準拠（letrec 脱糖）

R7RS 系（抜粋）

define-library / import / export
case-lambda, define-values, let-values
guard / raise, define-record-type
ハッシュテーブル、ソート、バイトベクタ、ストリームなど（large 拡張）

テストは npm test で一括実行でき、R5RS / R7RS / JS 連携 / デバッガ / SICP 演習の計 80 件以上がパスする状態です。

こんな用途に向いています

SICP を読みながらブラウザで演習を試す
マクロ・継続・クロージャーの挙動を REPL で確認する
評価器の内部をデバッガでステップ追跡する
JavaScript プロジェクトに Scheme を埋め込む（npm パッケージ）
言語処理系の勉強（パーサ・CPS 評価器・トランポリンの実例）

まとめ

scheme.js は「ブラウザを開けばすぐ Scheme が書ける」処理系を目指してきました。今回の更新で:

GitHub Pages — インストール不要のオンラインデモ
SICP 演習 REPL — 32 問の演習を章ごとに実行
ステップデバッガ — 評価過程の可視化
JS 相互運用 — jsdot など自然な記法
npm パッケージ / CLI — Node.js への組み込み

を揃えました。

ぜひデモを触ってみてください。

リポジトリ: https://github.com/nsas454/scheme.js
オンラインデモ: https://nsas454.github.io/scheme.js/
SICP REPL: https://nsas454.github.io/scheme.js/sicp-repl.html

Issue や PR も歓迎です。

参考リンク