История языка программирования Lisp
В 1950-е годы никто не задумывался о программировании как о математических функциях. Оно больше ассоциировалось с пошаговым выполнением алгоритмов.
Джон Маккарти был первым, кто развил идею использования «функций» или подпрограмм как частичного этапа создания программы. Этот подход постепенно превратился в полноценную парадигму. Сегодня она называется функциональным программированием.
Идея создать язык программирования пришла Джону Маккарти во время его исследования ИИ для Dartmouth Summer Research Project в 1955 году. Он предложил исследовать связь языка и интеллекта. Джон хотел разработать искусственный язык, который мог бы использоваться компьютерами для решения задач и самореференции.
Проект Dartmouth Summer Research также посетили А. Ньюэлл, Х. Саймон и группа других программистов. Они создали язык программирования IPL. Маккарти новый язык не впечатлил, потому что он был слишком низкого уровня. Но его вдохновила идея обработки списков, которая была в IPL. Она и стала одной из основ LISP.
С 1955 по 1957 год Маккарти работал над разработкой и усовершенствованием идеи функционального программирования. Ему понравилась идея написания программ в виде математических выражений. Он написал ряд статей, в которых были отражены основные идеи.
В течение нескольких месяцев программист работал с Массачусетским технологическим институтом над созданием нового языка программирования. Его назвали «Алгебраический язык для манипулирования символьными выражениями».
Язык работал с целыми числами, словами, логическими значениями и количествами в функциях и местоположениях. Он был первым языком, в котором использовалась функция карты. Ему было нужно три аргумента: первый — список, который нужно сопоставить, второй — переменная, содержащая различные элементы списка, третий — тело функции.
К концу 1958 года Маккарти хотел доказать, что новый язык — «полный по Тьюрингу». Это значит, что он может описывать не только функции, но и те же типы функций, что и машина Тьюринга.
Для этого Маккарти выбрал задачу разработки универсальной функции LISP и продемонстрировал, что она гораздо более понятна. Первый интерпретатор LISP был выпущен 15 мая 1959 года.
Особенности Lisp
Lisp — это язык программирования высокого уровня, созданный более 60 лет назад. Несмотря на возраст, его используют до сих пор. Язык расшифровывается как «List Processing» или «Обработка списков».
Lisp оперирует списками, в отличие от многих других языков программирования, которые в основном полагаются на массивы или другие структуры данных. Эти списки состоят из вложенных круглых скобок и атомов.
К особенностям Lips относятся:
- понятный синтаксис, простой и единообразный. В Лиспе программы представлены в виде символических выражений. Это S-выражения, или sexps. Они состоят из вложенных списков, заключенных в круглые скобки. Каждый элемент списка может быть либо атомом, либо другим списком;
- S-выражения и их значение — служат основным представлением кода и данных в Lisp. Это единообразие между кодом и данными. Еще его называют гомоиконичностью. Программное манипулирование кодом становится относительно простым, ведь программы на Лиспе можно рассматривать как структуры данных и наоборот. Эта особенность высоко ценится в таких областях, как искусственный интеллект, языковая обработка и символьные вычисления;
- парадигма функционального программирования — язык рассматривает вычисления как оценку математических функций и уделяет особое внимание неизменным данным более высокого порядка. Функции в Лиспе — важные элементы. Их можно передавать в качестве аргументов, возвращать из других функций и присваивать переменным. Эта особенность обеспечивает лаконичность и выразительность кода. Так происходит обработка функций более высокого порядка, запускается рекурсия;
- гибкость — язык программирования Lisp предоставляет инструменты для определения нового синтаксиса, создания предметно-ориентированных языков (DSL) и реализации макросов. Макросы позволяют разработчикам расширять синтаксис, создавать языковые конструкции, адаптированные к конкретным областям. Все это делает код более коротким и понятным на всех этапах создания продукта.
Лисп может проверять типы данных во время выполнения при определенной загрузке центрального процессора. Такие языки менее популярны по сравнению со статическими языками, в которых технологии компилятора создают полную поддержку. Статические языки обеспечивают ускорение и устранение простых обнаруживаемых ошибок. Динамические, возможно, стали всего лишь ностальгией по старому моду с точки зрения разработки программного обеспечения.
Самое большое преимущество динамического языка — гибкость. Программа, написанная на динамическом языке, может продолжать работать, даже если его часть заменяется. Но только в том случае, если замена не нарушает условия интерфейса. Тогда старая и новая части программы могут какое-то время работать одновременно. Это означает, что систему можно постепенно обновлять.
Динамические языки также облегчают наблюдение. Можно исследовать программу, не особо вмешиваясь в ее структуру. Многих исследователей привлекают динамические объектно-ориентированные языки, в которых определение класса объекта может быть изменено во время выполнения. Развитие информационных технологий продолжается, а быстрое изменение окружающей среды требует быстрого обновления работающих систем. Непрерывные вычисления крайне необходимы в телефонии, системах управления трафиком, круглосуточных службах баз данных. Lisp помогает в этом.
Приложения на Lisp распространяются в различных областях. Динамические языки подходят для экспериментального программирования в тех областях, где анализ проблем считается неполным. Именно поэтому Lisp так долго используют исследователи искусственного интеллекта.
Синтаксис Lisp
Синтаксис Лиспа немного отличается от синтаксиса языков, произошедших от Алгола. Две его важных характеристики —широкое использование круглых скобок и префиксная запись.
В Lisp базовая единица — атом. Группа атомов образует список. Группа многих списков образует списки более высокого порядка. Атомы и списки вместе называются символическими выражениями.
Алфавит
В алфавите Лиспа есть латинские буквы и цифры. В зависимости от его типа можно выбрать подходящий язык.
Основные элементы s-выражений — списки и атомы. Списки заключаются в круглые скобки и могут содержать любое количество элементов, разделенных пробелами. Атомы — это все остальное. Элементы списков — сами по себе s-выражения. Комментарии, которые не считаются s-выражениями, начинаются с точки с запятой, продолжаются до конца строки и обрабатываются как пробелы.
Атомы
Список Lisp — это последовательность трех элементов: открывающая скобка, ноль или более атомов или списков и закрывающая скобка.
Атом Лиспа — неделимый объект. В языке есть два типа атомов: числовые и символические. Числовые атомы — это просто числа, как целые, так и дробные. Например, «25» или «4,97865». Символические атомы еще называют символами. Они состоят из одного или нескольких символов, не содержащих пробелов. Примеры: «красный», «имя», «+», «год». Различные диалекты Lisp могут накладывать дополнительные ограничения на символы. Например, они могут запрещать символическим атомам начинаться с числа или вводить ограничения на определенные неалфавитные символы.
В большинстве языков программирования языковой процессор (интерпретатор или компилятор) работает как «черный ящик». Программист помещает в него последовательность символов. Дальше либо выполняются указанные действия, либо создается скомпилированная версия программы, которая будет выполнять указанные действия при запуске.
Внутри «черного ящика» языковые процессоры обычно делятся на подсистемы. Каждая из них отвечает за одну часть задачи по переводу текста программы в поведение или объектный код. Классическое разделение позволяет разбить процесс на три фазы. Лексический анализатор разбивает поток символов на токены и передает их синтаксическому анализатору. Он же строит дерево, представляющее выражения в программе. Это дерево передается оценщику, который либо интерпретирует его напрямую, либо компилирует в другой язык. Допустим, в машинный код. Структуры данных, используемые процессором, такие как токены и абстрактные синтаксические деревья, представляют интерес только для разработчика языка.
В Lisp вместо одного «черного ящика» два. Один преобразует текст в объекты Lisp, а другой реализует семантику языка в терминах этих объектов. Первый блок называется считывателем, второй — оценщиком.
Каждый черный ящик определяет один уровень синтаксиса системы. Программа чтения определяет, как строки символов могут быть преобразованы в объекты. Они называются s-выражениями.
Как начать пользоваться Lisp
Непривычный синтаксис Lisp и необычная парадигма программирования могут показаться сложными для новичков, которые привыкли к более традиционным языкам. Однако некоторые из них находят простоту Лиспа привлекательной для изучения фундаментальных концепций программирования. Акцент языка на рекурсии, функциях и данных кода может дать ценную информацию о различных парадигмах программирования.
Для начала работы потребуются следующие виды программного обеспечения: Текстовый редактор и Исполнитель.
Текстовый редактор. Он будет использоваться для ввода программы. Примеры редакторов — Блокнот Windows, команда редактирования ОС, Brief, Epsilon, EMACS.Название и версия текстового редактора могут различаться в разных операционных системах. Файлы, которые создаются в редакторе, называются исходными файлами. Они содержат код программы и обычно имеют расширение «.lisp».
Исполнитель. Исходный код необходимо «выполнить», чтобы преобразовать его в машинный язык. Так процессор сможет выполнить программу в соответствии с заданными инструкциями.
CLISP — это мультиархитектурный компилятор GNU Common LISP, используемый для настройки LISP в Windows. Версия для Windows эмулирует среду Unix, используя MingW под Windows. Установщик позаботится об этом и автоматически добавит clisp в переменную Windows PATH.
Где применяется Lisp
Согласно индексу TIOBE, Lisp — 21-й по популярности язык программирования на декабрь 2024 года.
В опросе Stack Overflow о состоянии Lisp в 2024 году приняли участие 65 000 программистов. 67 % из них используют этот язык на постоянной основе. При этом lisp-программисты востребованы не только зарубежом, но и в России.
Lisp применяют в различных отраслях. Он широко используется в искусственном интеллекте и машинном обучении для разработки интеллектуальных систем. Лисп применяется при разработке программного обеспечения для быстрого прототипирования, особенно в областях, требующих длительного решения задач. Также он играет важную роль в образовательной и исследовательской среде, способствует символьным вычислениям, языковой обработке и исследованию новых направлений программирования.
За последние двадцать лет появились динамические языки на основе Lisp. Python лучше подходит для прототипирования и исследовательского кодирования, чем, например, C. Lisp же не имеет равных в своей предметной области из-за хороших способностей к абстракции и метапрограммированию. Вдобавок к этому он предлагает путь от прототипа к высокопроизводительному производственному коду.
Применение языка при разработке систем распознавания символических образов стало открытием в области искусственного интеллекта. Используя возможности символьной обработки Lisp, разработчики создали надежные системы ИИ, которые могут распознавать и интерпретировать сложные шаблоны в различных областях. К ним относится распознавание изображений, понимание естественного языка и распознавание жестов. Гибкость Lisp позволяет этим системам адаптироваться к новым шаблонам и со временем совершенствовать свои алгоритмы распознавания, повышая их точность и надежность.
Lisp поддерживает символьные вычисления и семантический анализ. Благодаря этому у разработчиков ИИ получилось создать системы НЛП, которые могут понимать и генерировать человеческий язык. Это делает общение между людьми и машинами более понятным. Приложения включают в себя автоматический перевод, анализ настроений и диалоговые агенты. При анализе их работы прослеживается универсальность и эффективность Лиспа в лингвистических задачах, управляемых искусственным интеллектом.
На Лиспе также пишут новые виды приложений. Сейчас высказывание «наступает эпоха Lisp» обретает реалистичный смысл. В системе планирования миссии НАСА «Марсианский следопыт» Lisp помог поменять планы в режиме реального времени. Это привело к значительной оптимизации. Она в итоге сыграла важную роль в успехе миссии «Патфайндер». Миссия должна была длиться 30 дней, исходя из прогнозируемых энергетических потребностей посадочного модуля. Но оптимизация позволила космическому кораблю «Патфайндер» отправить данные обратно на Землю после 83 дней на Марсе. Система планирования полетов Northwest Airlines, написанная на Lisp, выполняет обработку данных в реальном времени для решения различных проблем планирования на земле. Система помогает справиться с задержкой рейса или изменением ресурсов.
Перспективы Lisp
Основные идеи Лиспа, касающиеся абстракции, метапрограммирования и интерактивной разработки, стали актуальнее, чем раньше. Поскольку ПО становится все более сложным и специализированным, способность создавать встроенные языки и современные инструменты кажется особенно важной. Диалекты Lisp, такие как Clojure и Racket, привлекают новые поколения программистов, которым важна гибкость и удобство сопровождения.
При этом Lisp имеет репутацию академического языка, который трудно выучить. Другие языки (Python и JavaScript) предлагают преимущества за счет более плавного обучения и развитого сообщества.
Лисп не станет стандартным языком на уровне JavaScript или Java. Его сильные стороны слишком специфичны. Но язык продолжит процветать в определенных областях и привлекать программистов, ищущих что-то новое. Программист Пол Грэм говорил: «Причина, по которой Lisp еще не устарел, в том, что есть вещи, которые Lisp позволяет делать очень легко. Большую часть их них просто не получится быстро и просто сделать в других языках».
Раньше считалось, что число языков программирования сократится до нескольких и будет установлена своего рода монополия. Сейчас все совсем не так. Любой язык привлекателен и полезен, по крайней мере, пока его поддерживает сообщество программистов. В эпоху гетерогенных параллельных вычислений эти языки выживут и укрепят свои позиции.