Mój własny język programowania

Na Językach i Paradygmatach Programowania mamy duże zadanie zaliczeniowe - napisać interpreter do jakiegoś języka programowania. Postanowiłem skorzystać z okazji i zaprojektować swój własny język programowania, któremu nadałem nazwę Functional Script. Interpreter mamy napisać w Haskellu (jak zacząć pracę z Haskellem?). Poniżej możecie przeczytać opis mojego języka.

Opis języka

Zdecydowałem się na język funkcyjny, którego składnia jest niejako połączeniem języków Haskell i F# (który jest z rodziny ML). Czyli funkcje to obywatele pierwszej kategorii. Dodatkowo mamy rekordy, które są trochę jak te w JavaSciptcie. Całość jest statycznie typowana. Poniżej przejdziemy przez wszystkie elementy języka.

Typy

Z założenia język jest silnie, statycznie typowany. Doczynienia mamy z typami prostymi, listami, krotkami, funkcjami, uniami i rekordami.

Typy proste

Mamy dwa typy proste: liczby (zarówno całkowite jak i zmiennoprecinkowe) Number oraz znaki Char.

Dodatkowo mamy typ String, będący listą znaków.

Listy

Standardowe listy, które można by samemu zadeklarować w taki sposób:

data List<a> = Empty | Head of (a * List<a>)
let (:) h t = Head((h,t))

Typ listy o elementach typu a to [a].

Wartość listy pustej oznaczamy przez [], a znajdujące się w niej elementy oddzielamy przecinkami - [1,2,3]. Do tego mamy deklarację zakresu [1..10] oraz bardziej zaawansowane generatory [(x,y) | x <- [1..3], y <- ['a','b','c']].

Podczas przypisania let możemy użyć formy

let [a,b] = lista

aby uzyskać pierwsze dwa elementy listy lista i przypisać ich wartości do stałych a i b. Albo

let (h:t) = lista

aby wyciągnąć pierwszy element i listę pozostałych, odpowiednio do stałych h i t.

Powyższych dwóch wzorców można również użyć w wyrażeniach match-with. Dodatkowo jest jeszcze jeden wzorzec match-with dla list - “zawieracz”:

match lista with
| [... 10 ...] -> ()
| [... f(11) ...] -> ()

Zawieracz sprawdza czy lista zawiera wartość podanego wyrażenia i jeśli tak to zwraca wartość wyrażenia po prawej stronie strzałki, a jeśli nie to przechodzimy do sprawdzania kolejnego wzorca.

Krotki

Pary, trójki, itd, czyli krotki. Muszą być otoczone nawiasami, oddzielone przecinkami.

@k :: Number * String * Char
let k = (1, "abc", 'x')

Typ krotki to lista typów oddzielonych przez znak ‘*’.

Podobnie jak listy możemy używać wzorcu krotki w przypisaniach i wyrażeniach match-with. Lista przypisań musi być nie większa niż typ krotki:

let (i, s) = k
let (i, s, c, d) = k //błąd

match k with
| (1, _) -> ()
| (a, b, 'x') -> ()
Funkcje

Żeby można było uzyskać częściową aplikację to każda funkcja jest w teorii jedno argumentowa. Typ funkcji opisujemy jako a -> b. Mamy dwa sposoby na deklarację funkcji

let f x = x
let f = \x -> x

Ten drugi sposób korzysta z wyrażenia lambda.

Funkcje wołamy przy użyciu nawiasów, oddzielając argumenty przecinkami. Jeśli nie dostarczymy wystarczającej ilości argumentów to dostaniemy funkcję.

let f x y z = ()
let h = f(1,2,3)
let g = f(1) //g :: a -> b -> Unit

Funkcje są rekurencyjne.

Operatory

W języku są tylko operatory binarne, w związku z czym są funkcjami o dwóch argumentach.

let (|>) v f = f(v)

Na chwilę obecną język nie będzie pozwalał na tworzenie adnotacji typów dla operatorów, więc obejściem jest

@myCustomPipe :: a -> (a -> a -> b) -> b
let myCustomPipe v f = f(v)(v)
let ($>) = myCustomPipe

Użytkownik może tworzyć swoje własne operatory, które mają najmniejszy priorytet lub korzystać z wbudowanych operatorów

["<|","<||","<|||","|>","||>","|||>","<$>", "<$", "$>"],
["<", "<=", "==", "===", ">", ">=",
  "!=", "/=", "=/=", "!==", "/=="],
["||", "<<", ">>", "<=>", "<==", "==>", ">=>",
 "<=<", "~>", "<~", "<<=", "=>>", "=<<", ">>="],
["+", "-","&&"],
["*", "/"],
["**", "***", "%", "^", "&&&", "&", "|||", "++", "--"]

Powyższa lista operatorów zwiększa priorytet w dół.

Dodatkowo operatory skierowane w lewo (poza porównaniem) oraz :, ** i *** są operatorami prawostronnymi, a pozostałe (wraz z operatorami użytkownika) są lewo stronne.

Unie

Unia to inaczej mówiąc typ algebraiczny. Unie mają konstruktory zero lub jedno argumentowe. Unię deklarujemy w następujący sposób

data Nazwa<(lista generycznych typów)> = lista konstruktorów

Czyli np.

data Tree<a> = Leaf | Node of Tree<a> * a * Tree<a>
//Leaf :: Tree<a>
//Node :: (Tree<a> * a * T) -> Tree<a>

Albo (bez dodatkowych typów i rozpoczynając od nowej linii)

data Enum =
    | E1
    | E2
    | E3

Unie nie podpadają pod wzorce w przypisaniach let. Więc dekonstrukcja wartości unii musi odbyć się przez wyrażenie match-with:

let depth t = match t with
              | Empty -> 0
              | Node((tl, _, tr)) -> max(depth tl, depth tr) + 1
Rekordy

Rekord to taki statyczny słownik. Poniżej zadeklarujemy typ rekordowy

type Person = {Name :: String; Age :: Number}

Następnie utworzymy jego element

@p :: Person
let p = {Name = "Jan"; Age = 30}

Typy rekordowe są porównywane pod względem pól jakie zawierają i ich typów. Dodatkowo możemy tworzyć nowe typy w oparciu o stare.

type Teacher extends Person with {Pupils :: [Person]}

I jeśli funkcja przyjmuje obiekt typu Person to przyjmie również obiekt typu Teacher ponieważ zawiera on wszelkie niezbędne pola o takich samych typach.

Tak jak w przypadku rozszerzania typów istnieje podobna konstrukcja do rozszerzania i modyfikacji wartości

let teach = {p with Name = "Adrian"; Pupils = []}

Rekordów można użyć do symulacji programowania obiektowego, np:

//interfejs
type IEquatable<a> =
    {
        equals :: a -> a -> Bool
    }

@intEq :: IEquatable<Integer>
let intEq = {equals = \x y -> x == y}

@elem :: IEquatable<a> -> a -> [a] -> Bool
let elem eq x l = //...
let intElem = elem(intEq)

Funkcja, która przyjmuje rekord danego typu, może przyjąć również rekord o innymi typie, który zawiera potrzebne pola o tych samych typach

@fr :: {A :: String; B :: Char} -> ()

type R = {A :: String; B :: Char; C :: Integer}
type Rb = {A :: Integer; B :: Integer}

let _ = fr({A = ""; B = 'c'; C = 10})
let _ = fr({A = 1; B = 2}) // error: type mismatch

Struktura programu

Program składa się listy deklaracji. Deklaracją jest definicja typu (rekordu, aliasu lub unii), adnotacja typu i deklaracja wartości. Deklaracje są globalne, a ich kolejność nieistotna. Powoduje to, że nie można redeklarować elementów o tej samej nazwie.

Najważniejszą funkcją w programie jest funkcja

@main :: [String] -> Integer

która musi być obecna i jest punktem wejścia do programu. Przyjmuje ona listę argumentów oraz zwraca liczbę, z którą program interpretera zakończy działanie.

Deklaracje typów i adnotacje

W poprzednim rozdziale dotyczącym typów przedstawiłem już jak się je deklaruje, ale dla przypomnienia zrobię to raz jeszcze. Każdy typ może mieć listę generycznych argumentów.

type Alias = String * Int
type GenericAlias<a> = IEquatable<a> -> a -> a -> Integer
type Rekord = {A :: T1; B :: T2}
type RekordRozszerzony extends Rekord with {C :: T3}
data Unia = E | X of Char

Do tego mamy adnotacje typów, które mają pomóc interpreterowi jeśli nie będzie w stanie domyślić się typu, oraz które mogą posłużyć jako upewnienie się, że wartość ma typ jaki oczekujemy.

@identyfikator :: typ
Deklaracje wartości

Każda deklaracja zaczyna się od słowa kluczowego let, następnie mamy wzór wiązania, znak “=” i wyrażenie wartości.

Wzory wiązania to zmienne, funkcje z argumentami (również operatory), dekonstrukcje rekordów, list, tupli lub wildcard (‘_’), który służy do pomijania wartości.

Wyrażenia wartości to: podwyrażenia let, warunki if-then-else, sprawdzanie wzorców match-with, wyrażenia wartości, wyrażenia z dopiskiem typu, wywołania funkcji, wyrażenia z operatorem, wyrażenia w których rolę grają skutki uboczne (do i if-do).


Kiedy skończę projekt, to wraz z przykładowymi programami trafi on na GitHub, gdzie będzie można obejrzeć całe moje rozwiązanie. W kolejnych postach opiszę być może nieco detali implementacji interpretera.