Особенности языка ЛИСП

Этот диалект отличается наиболее широким представлением различных  структур данных и включает около 800 встроенных функций (внешний вид CommonLISP показан в приложении Б). В нем обеспечиваются средства обработки основных классов числовой информации: целых, вещественных и комплексных. Символьные данные (литеры, литеральные атомы, строки) в CommonLISP соответствуют основным возможностям других LISP - систем. Дополнительно имеются средства обработки непечатных литер в символьных именах [7].

Одним из существенных преимуществ  диалекта CommonLISP является наличие средств обработки массивов и структур, по своим возможностям не уступающих соответствующим средствам традиционных языков программирования (Фортран, Паскаль). Массивы в CommonLISP могут иметь любое неотрицательное число измерений и индексируются последовательностью целых чисел. Тип компонентов массива может быть произвольным. Выделяется подкласс векторов - одномерных массивов, среди которых отдельно рассматриваются строки и битовые массивы.

Структуры CommonLISP являются типом многокомпонентных записей, определяемых пользователем и имеющих именованные компоненты. Встроенное макроопределение DEFSTRUCT используется для определения структур новых типов. Для создания данных нового типа в виде структуры предусмотрены средства автоматической генерации набора функций, обеспечивающих средства манипулирования объектами этого класса.

Удобным средством контроля доступа к различным переменным и функциям LISP -программ в CommonLISP являются пакеты. Пакет - множество имен объектов, определенных и доступных в нем. Внутри пакета имена объектов подразделяются на внутренние и внешние. Первые предназначены для использования только внутри данного пакета, а вторые - для обеспечения связи с другими пакетами. LISP - интерпретатор представляет широкий спектр средств манипулирования пакетами. Как правило, LISP - система имеет в своем составе четыре стандартных пакета:

. Lisp - содержит примитивы системы

2. User - умалчиваемый пакет прикладных программ и данных пользователя

. Keyword - содержит ключевые слова всех встроенных функций и функций, определяемых пользователем

. System - зарезервированный пакет для системных целей

Значительной переработке  и расширению в CommonLISP подверглись средства ввода-вывода и передачи информации. Для эффективной организации различных обменов с внешней средой введена концепция потоков, позволяющих осуществлять одно- и (или) двухстороннюю передачу информации. Для потоков предусмотрен набор базовых функций. В диалекте различают символьные и двоичные потоки. В первом случае передача осуществляется по байтам, а во втором - целыми числами. Кроме стандартных потоков пользователь имеет возможность создавать и использовать собственные потоки.

В дополнение к указанным  типам данных CommonLISP имеет ряд специфических классов объектов: хэш-таблицы, обеспечивающие эффективный способ доступа к данным по ключу; READ-таблицы, обеспечивающие управление обработкой информации поступающей из входного потока Лисп-системы, и некоторые другие. Такое множество имеющихся в диалекте различных типов данных, с одной стороны, развеивает существующее ошибочное представление о языке LISP как о средстве обработки только символьной информации, а с другой - наличие мощных средств манипулирования типами данных существенно усложняет его.

CommonLISP не является готовой программной системой в том же смысле, что и Интерлисп, поскольку вопросы среды в основном оставлены открытыми. В стандарте не определено, каким должен быть редактор или другие вспомогательные средства. Сказано лишь в самом общем виде, каким образом они вызываются. Для того чтобы обеспечить быстрое развитие, среда и инструментальные средства еще не затронуты стандартизацией, и поэтому есть возможность создавать различные среды для различных целей. CommonLISP не определяет также и интерфейс пользователя [4, 9].

В CommonLISP на современном этапе не включены даже средства объектного программирования, хотя и определены необходимые для этого базовые механизмы (замыкание и др.). Таким образом, объекты можно реализовать на Лиспе. Но уже ведется работа по стандартизации средств и форм объектного программирования.

В CommonLISP много внимания уделено практическим требованиям, и, вероятно, поэтому не все его черты эстетичны и чисты. Несомненно, что и другие LISP -системы будут использоваться в дальнейшем, и их также необходимо развивать.

CommonLISP предназначен не только для работы со списками или символьной обработки. Он является универсальным языком программирования, включающим в себя особенно хорошие средства для численных вычислений, управления данными и связи. На CommonLISP можно с одинаковым успехом писать программы в традиционных операторном, процедурном, фразовом стиле, а также и в свойственных LISP стилях. В языке содержатся предпосылки для использования различных способов и стилей программирования, таких как операторное, функциональное, макропрограммирование, программирование, управляемое данными, и продукционное программирование, а также средства, необходимые для логического и объектного программирования и реализации других средств более высокого уровня.

Можно смело сказать, что CommonLISP содержит почти все, что на сегодняшний день могут дать другие известные языки программирования, и, кроме того, он предусматривает средства для расширения языка.

3. Особенности языка Лисп

Современные диалекты языка  Лисп можно рассматривать как  мощные интерактивные системы программирования. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, сам язык Лисп претерпевает серьезные изменения - развиваются средства языка, предназначенные для обработки нетрадиционных для Лиспа типов данных: массивов, векторов, матриц; появляются некоторые средства управления памятью (пакеты), отсутствующие в Лиспе. Серьезные изменения претерпевают и управляющие структуры. Появились несвойственные природе языка Лисп функции, заимствованные из Фортрана, Алгола, Паскаля, Си: Do, Loop, Goto , Case и прочие, позволяющие пользователю, незнакомому с принципами функциональных языков, легко переходить на Лисп. Качество программ снижается, зато возрастает популярность языка. Во-вторых, если на первом этапе развития Лисп-системам была присуща небольшая скорость обработки данных и серьезные ограничения на емкость используемой оперативной памяти, то современные Лисп-системы уже могут соперничать по этим параметрам с такими языками, как Си, Паскаль и др. Использование Лисп-машин вообще практически снимает ограничения памяти и быстродействия.

От других языков программирования Лисп отличается следующими свойствами:

. одинаковая форма  данных и программ;

. хранение данных, не  зависящее от места;

. автоматическое и  динамическое управление памятью;

. функциональная направленность;

. Лисп является бестиповым  языком;

. интерпретирующий и компилирующий режимы работы;

. пошаговое программирование;

. единый системный  и прикладной язык программирования.

Рассмотрим эти свойства более подробно.

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 [4, 2].

Универсальный единообразный  и простой синтаксис списка языка  лисп 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.

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 и освобождение могут в зависимости от потребности осуществляться динамически, ячейка за ячейкой.

При автоматическом и  динамическом управлении памятью, который применен в Лиспе, 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. Среда Лиспа постоянно содержится в порядке. В современных ЛИСП-системах выполнение операции сборки мусора занимает от одной до нескольких секунд [1, 7]. 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.

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.

В Лиспе имена символов, переменных, списков, функций и других объектов не закреплены предварительно за какими-нибудь 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 возможно факультативное определение типов. В этом случае транслятор может использовать эту информацию для оптимизации кода. В Лисп-машинах проверка осуществляется на уровне аппаратуры.

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 [3, 10].

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.

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 [5, 6].

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.