编程语言 Scheme

概述

Scheme 是一种极简主义的 Lisp 编程语言方言，旨在促进函数式编程风格，同时推广简单而清晰的语法。它的特点是使用括号、强大的宏系统，以及对递归和一等过程的强烈强调。该语言鼓励函数式编程范式，并支持多种编程技术，包括函数式、命令式和逻辑编程。

历史方面

创建与早期发展

Scheme 于 1970 年代由麻省理工学院（MIT）的 Gerald Jay Sussman 和 Guy L. Steele Jr. 创建。它的开发旨在简化和改进原始的 Lisp 语言，因为后者随着时间的推移变得复杂。Scheme 的动机是创建一种更易于实现和教授的语言，同时仍然足够强大以表达复杂的思想。

演变与标准化

多年来，Scheme 经历了各种修订和标准化努力。其中最著名的标准是 R^nRS（修订n 报告算法语言 Scheme），它正式化了该语言及其特性。此后，Scheme 社区继续发展该语言，导致了更新的标准，如 R6RS 和 R7RS，这些标准引入了新特性和改进。

现状与影响

截至目前，Scheme 在学术环境中仍然受到欢迎，特别是在计算机科学教育中，因其优雅和清晰的语法。它的影响可以在许多现代编程语言和范式中看到。Scheme 通常与函数式编程社区相关联，并激发了如 Clojure 和 Racket 等语言，这些语言在其原则的基础上扩展了其能力。

语法特性

括号语法

Scheme 使用完全的括号语法，代码以前缀表示法书写；例如，加法操作写作 (+ 1 2)。

一等过程

Scheme 中的函数是一等公民，这意味着它们可以作为参数传递或从其他函数返回。示例：

(define (make-adder x)
  (lambda (y) (+ x y)))
(define add5 (make-adder 5))
(add5 10) ; 返回 15

尾调用优化

Scheme 支持尾调用优化，允许函数在尾位置的递归调用重用当前的栈帧，从而防止栈溢出。

继续传递风格

Scheme 允许使用继续，程序员可以捕获当前的计算状态并操控控制流：

(call-with-current-continuation
  (lambda (exit) 
    (exit 'done)))

宏

Scheme 具有强大的宏系统，允许程序员创建语法扩展。一个简单的宏可以定义如下：

(define-syntax my-if
  (syntax-rules ()
    ((_ test then else)
     (if test then else))))

数据抽象

Scheme 通过列表、对和高阶函数等结构支持数据抽象，使得数据的高效操作成为可能。

词法作用域

Scheme 采用词法作用域，变量的作用域由其在源代码中的物理位置决定。这导致了关于变量绑定的可预测行为。

动态类型

Scheme 是动态类型的，允许变量持有任何类型的值，而无需显式的类型声明。

内置列表处理

作为 Lisp 方言，Scheme 针对列表处理进行了优化，使得对列表进行操作变得简单：

(define my-list (list 1 2 3 4))
(car my-list) ; 返回 1
(cdr my-list) ; 返回 (2 3 4)

尾递归

Scheme 函数可以以尾位置递归定义，以优化内存使用和性能。例如：

(define (factorial n)
  (define (fact-helper n acc)
    (if (zero? n)
        acc
        (fact-helper (- n 1) (* n acc))))
  (fact-helper n 1))

开发工具与运行时

流行的 IDE 和环境

• DrRacket：专为 Racket 和 Scheme 设计的集成开发环境。
• Emacs 与 Geiser：一个强大的环境，用于编辑 Scheme 代码并支持 REPL。
• MIT Scheme：附带自己的 IDE，用于开发 Scheme 应用程序。

构建项目

Scheme 应用程序通常可以使用所选实现的运行时环境构建。例如，在 Racket 中，可以使用命令行工具 racket 来运行 .rkt 文件或将其编译为可执行文件。

编译器与解释器

有多种编译器和解释器可用于 Scheme，包括：

• Racket：Scheme 语言的全功能实现。
• Chicken Scheme：将 Scheme 代码翻译为 C 的编译器。
• MIT/GNU Scheme：一个经典的解释器，也支持许多 R^nRS 标准。

Scheme 的应用

Scheme 在学术界广泛用于教授编程原理，并作为计算机科学研究的工具。它在人工智能、语言设计和脚本编写等领域有应用，以及在需要符号计算或复杂数据操作的各种领域。

与相关语言的比较

Scheme 与 Python

这两种语言都支持函数式编程风格，但 Python 强调可读性和简单性，而 Scheme 则专注于强大而简洁的表达。Scheme 的括号重语法可能被视为初学者的障碍，而 Python 的基于缩进的语法通常更易于接触。

Scheme 与 JavaScript

JavaScript 也支持函数式编程，并具有一等函数。然而，JavaScript 具有基于原型的对象系统，而 Scheme 则依赖于函数式范式。Scheme 的宏系统提供了 JavaScript 中不存在的能力。

Scheme 与 C

C 是一种低级的、静态类型的语言，旨在进行系统编程，而 Scheme 是高级的、动态类型的。C 关注性能和硬件级别的操作，而 Scheme 强调抽象和计算的理论方面。

Scheme 与 Haskell

这两种语言都根植于函数式编程。Haskell 使用更严格的类型系统并支持惰性求值，而 Scheme 的动态类型和急切求值允许更灵活的编程，代价是某些性能。

Scheme 与 Ruby

Ruby 是一种面向对象的编程语言，混合了函数式编程特性，而 Scheme 是纯函数式的。Ruby 的语法更冗长，而 Scheme 的简洁性源于其极简设计。

源到源翻译提示

将 Scheme 代码翻译为其他语言可以通过理解 Scheme 语法和目标语言的工具来促进。一些有用的源到源代码翻译工具包括：

Chicken Scheme

Chicken Scheme 提供一个编译器，可以将 Scheme 代码翻译为 C，从而能够利用 C 库并创建高效的可执行文件。

Racket 的语言特性

Racket，作为 Scheme 的衍生物，具有内置的能力，可以将代码转换和编译为 JavaScript，使得部署 Web 应用程序变得更容易。

像 Gambit 这样的工具

Gambit Scheme 可以将 Scheme 代码编译为 C 和本地可执行文件，为性能关键的应用程序提供高效的翻译选项。