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Dynamic Scoping in Scheme

词法作用域 vs 动态作用域

scheme是一门采用词法作用域(lexical scoping)的lisp方言,这个设计是从alogol语言里借鉴过来的。现在,词法作用域已经被许多lisp方言所吸收,实践表明,这的确是一项正确的设计,避免了很多奇怪的错误,比较符合人类的思维习惯。

但是,在某些场合下,动态作用域又是很有用的特性,比如emacs lisp里面就默认采用动态作用域。

下面的程序演示了词法作用域与动态作用域的不同

(define x 1)
(define y (lambda () x))
(let ([x 2]) (y))

如果是词法作用域,返回1,如果是动态作用域,返回2。

在scheme中模拟动态作用域

从一个简单的例子出发,演示如何在scheme里面实现动态作用域,我们想要写一个try catch宏来处理程序中的异常。其中一个函数叫做current-exception-handler,我们希望它是动态的,随代码运行位置而变化,永远指向当前的异常处理器,下面是我们写的第一个版本

(define current-exception-handler
  (lambda (msg) (error “No Top Level Try”)))
(define-syntax try
  (syntax-rules (catch)
    [(_ expr … (catch msg expr* …))
        (call/cc (lambda (k)
                (let ([msg (call/cc (lambda (k1)
                                      (set! current-exception-handler k1)
                                      (let ([result (begin expr …)])
                                      (k result)
                                      )))])
                  expr* …)))]))
(define (throw msg) (current-exception-handler msg))

其中,涉及throw的代码必须被包含在try里面,否则会导致错误。先来测试一下

(try 1
     (throw ‘foo)
     (catch msg (display “catch “) (display msg)))

但是如果我们在后面再加上一行代码

(throw ‘test)

这里就出现问题了,按照我们上面的要求throw应该在try catch块里面使用,而这里却不会报错,说明我们上面的代码错了。

进入try catch块时,我们把current-exception-handler设置为当前try catch块的exception-handler,但当运行出try catch块的时候,exception-handler并没有发生变化,我们希望恢复原来的exception-handler,使得不论是正常退出或者是发生错误退出都能恢复原有的exception-handler,所以修改一下代码,就是:

(define current-exception-handler
  (lambda (msg) (error “No Top Level Try”)))
(define-syntax try
  (syntax-rules (catch)
    [(_ expr … (catch msg expr* …))
        (call/cc (lambda (k)
                (let ([msg (call/cc (let ([preserved current-exception-handler])
                                        (lambda (k1)
                                      (set! current-exception-handler (lambda (msg)
                                                                      (set! current-exception-handler preserved) 
                                                                        (k1 msg)))
                                      (let ([result (begin expr …)])
                                        (set! current-exception-handler preserved)
                                      (k result)
                                      ))))])
                  expr* …)))]))
(define (throw msg) (current-exception-handler msg))

这样,只要代码出了try catch块,current-exception-handler就会恢复成原来的,从而实现了动态作用域的效果。

fluid-let语句

如果你记得fluid-let语句的话,你就会发现上面的代码效果和fluid-let语句很类似,没错,fluid-let语句就是被设计用来实现dynamic scoping效果的,fluid-let语句的定义如下(摘自chez scheme user guide 8):

(define-syntax fluid-let
   (lambda (x)
     (syntax-case x ()
       [(_ () b1 b2 …) #'(let () b1 b2 …)]
       [(_ ((x e) …) b1 b2 …)
        (andmap identifier? #'(x …))
        (with-syntax ([(y …) (generate-temporaries #'(x …))])
          #'(let ([y e] …)
              (let ([swap (lambda ()
                            (let ([t x]) (set! x y) (set! y t))
                            …)])
                (dynamic-wind swap (lambda () b1 b2 …) swap))))])))

具体的实现细节就不说了,给一个例子:

(define x 1)
(define y (lambda () x))
(fluid-let ([x 2]) (y))

这和第一段代码一模一样,只不过用了fluid-let语句,就在scheme里面模拟出了dynamic scoping的效果。

这样,try catch宏就可以写的很简单了:

(define-syntax try
  (syntax-rules (catch)
    [(_ expr … (catch msg expr* …))
        (call/cc (lambda (k)
                (let ([msg (call/cc (lambda (k1)
                                      (fluid-let ([current-exception-handler k1])
                                      (let ([result (begin expr …)])
                                      (k result)
                                      ))))])
                  expr* …)))]))

parameterize语句-更好的选择

但是出于某些原因(效率,赋值,标准库里面没有提供。。),我们并不想用fluid-let语句来解决问题,恰好rnrs标准库里面就提供了一个类似的,parameterize语句,同样可以完成任务。

(define x (make-parameter 1))
(define y (lambda () (x)))
(parameterize ([x 2]) (y))

如果我们在parameterize块外面尝试调用y函数,就会得到1,这说明parameterize只对块内生效,一旦出了parameterize块(不论是通过何种方式),就会恢复成原来的样子。

scheme与其他lisp方言在作用域方面还有一个不同点,它的宏也是采用了词法作用域,而其他lisp方言的宏几乎都是动态作用域。如果你想了解scheme的宏如何实现动态作用域的效果,请看这里:http://schemeworkshop.org/2011/slides/Barzilay2011.pdf

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