Scheme

Scheme [] — функциональный язык программирования, один из трёх наиболее популярных диалектов Лиспа (наряду с Common Lisp и Clojure). Создан в середине 1970-х годов исследователями Массачусетского технологического института  и .

Обладает минималистичным дизайном, содержит минимум примитивных конструкций и позволяет выразить всё необходимое путём надстройки над ними. Например, использует всего два механизма организации циклов — хвостовую рекурсию и итеративный подход (в котором используются временные переменные для сохранения промежуточного результата).

Язык начинался с попытки реализовать модель акторов Карла Хьюитта, для чего Стил и Сассман написали «крошечный интерпретатор Лиспа», а затем «добавили механизм создания акторов и посылки сообщений». Scheme стал первым диалектом Лиспа, применяющим исключительно статические (а не динамические) области видимости переменных, что гарантировало оптимизацию хвостовой рекурсии и обеспечило поддержку булевского типа (#t и #f вместо традиционных T и NIL). Также стал одним из первых языков с поддержкой продолжений. Начиная со спецификации R⁵RS, язык приобрёл средство для записи макросов на основе шаблонов синтаксического преобразования с «соблюдением гигиены» (). Предусматривается «сборка мусора» (автоматическое освобождение памяти от неиспользуемых более объектов).

В качестве базовых структур данных язык использует списки и одномерные массивы («векторы»). В соответствии с декларируемым минимализмом, (пока) нет стандартного синтаксиса для поддержки структур с именованными полями, а также средств ООП — все это может быть реализовано программистом по его предпочтению, хотя большинство реализаций языка предлагают готовые механизмы.

Первоначальное название языка — Schemer, было изменено из-за ограничения на длину имён файлов в ; ( — «авантюрист», «комбинатор»; видимо, намёк на другие лиспообразные языки, вышедшие из MIT — Planner (в одном из значений — «прожектёр») и Conniver («потворщик»)). Значительный вклад в популяризацию языка внесла книга Абельсона и Сассмана «Структура и интерпретация компьютерных программ», длительное время использовавшаяся как базовый учебник программирования в Массачусетском технологическом институте.

Примеры 
Простые математические операции:
(+ 2 (* 2 2))
> 6
(+ 1 2 3 4)
> 10
Вызов каждой операции (или функции) представляется списком, в котором символ операции (который, в сущности, является именем функции) всегда занимает начальную позицию.

Предикаты типа:
(number? 5)
(number? "foo")
(string? "foo")

По соглашению, имена всех предикатов заканчиваются символом ?.

Проверки на равенство:
(equal? "foo" "bar")
(eqv? 5 (+ 2 3))
(eq? 'a 'A)

Определение макросов для традиционных операций push и pop:
(define-syntax push!
  (syntax-rules ()
    ((push! x l)
     (set! l (cons x l)))))

(define-syntax pop!
  (syntax-rules ()
    ((pop! l)
     (let ((x (car l)))
       (set! l (cdr l))
       x))))

Определение функций:
;; факториал в (неэффективном) рекурсивном стиле
(define (fact x)
  (if (< x 2)
      1
      (* (fact (- x 1)) x)))

;; функция Фибоначчи — требует параллельной рекурсии
(define (fib n)
  (cond ((= n 0) 0)
        ((= n 1) 1)
        (else (+ (fib (- n 1))
                 (fib (- n 2))))))

;; сумма элементов списка в характерном для Scheme стиле
;; (вспомогательная функция loop выражает цикл с помощью
;; хвостовой рекурсии и переменной-аккумулятора)
(define (sum-list x)
  (let loop ((x x) (n 0))
    (if (null? x)
        n
        (loop (cdr x) (+ (car x) n)))))

(fact 14)
(fib 10)
(sum-list '(6 8 100))
(sum-list (map fib '(1 2 3 4)))

Определение функции должно соответствовать следующему прототипу:
(define имя-функции (lambda (аргументы) (реализация-функции)))

хотя на практике чаще используют сокращённую форму:
(define (имя-функции аргументы) (реализация-функции))

Ввод-вывод 
Для ввода и вывода в Scheme используется тип «порт» (port, R5RS sec 6.6). R5RS определяет два стандартных порта, доступные как current-input-port и current-output-port, отвечающие стандартным потокам ввода-вывода Unix. Большинство реализаций также предоставляют current-error-port. Перенаправление ввода-вывода поддерживается в стандарте с помощью процедур with-input-from-file и with-output-to-file. У реализаций также имеются строковые порты, с помощью которых многие операции ввода-вывода могут выполняться со строковым буфером вместо файла, используя процедуры из SRFI 6. Стандарт R6RS определяет более сложные процедуры для работы с портами и много новых типов портов.

Следующие примеры написаны на R5RS Scheme.

(write (+ (read) (read)))

Вывод в порт по умолчанию (current-output-port):
(let ((hello0 (lambda() (display "Hello world") (newline))))
  (hello0))

Передача порта в качестве аргумента:
(let ((hello1 (lambda (p) (display "Hello world" p) (newline p))))
  (hello1 (current-output-port)))

Перенаправление вывода в файл:
(let ((hello0 (lambda () (display "Hello world") (newline))))
  (with-output-to-file "outputfile" hello0))

Явное открытие файла и закрытие порта:
(let ((hello1 (lambda (p) (display "Hello world" p) (newline p)))
      (output-port (open-output-file "outputfile")))
  (hello1 output-port)
  (close-output-port output-port)
)

call-with-output-file:
(let ((hello1 (lambda (p) (display "Hello world" p) (newline p))))
  (call-with-output-file "outputfile" hello1))

Подобные процедуры есть и для ввода. R5RS Scheme предоставляет предикаты input-port? и output-port?. Для символьного ввода и вывода существуют write-char, read-char, peek-char и char-ready?. Для чтения и записи выражений Scheme используются процедуры read и write. Если порт достиг конца файла при операции чтения, возвращается eof-объект, который может быть распознан предикатом eof-object?.

SRFI 
Из-за минимализма языка многие общие процедуры и синтаксические формы не определены в стандарте. Для того, чтобы сохранить ядро ​​языка малым и способствовать стандартизации расширений, в сообществе Scheme принят процесс «Scheme Request for Implementation» (запрос на реализацию), с помощью которого предлагаемые расширения проходят тщательное обсуждение. Это способствует переносимости кода. Многие SRFI поддерживаются всеми или большинством реализаций Scheme.

Достаточно широко поддерживаются реализациями следующие SRFI:
 0: проверка наличия расширений с помощью cond-expand
 1: библиотека для списков
 4: гомогенные числовые векторы
 6: строковые порты
 8: receive: привязка к нескольким значениям
 9: record типы
 13: библиотека для строк
 14: библиотека наборов символов
 16: синтаксис для процедур переменной арности
 17: обобщенный set!
 18: поддержка многопоточности
 19: типы данных и процедуры работы со временем
 25: многомерные массивы
 26: нотация для фиксации аргументов процедуры без каррирования
 27: источники случайных битов
 28: базовое форматирование строк
 29: локализация
 30: вложенные многострочные комментарии
 31: специальная форма рекурсивного выполнения
 37: args-fold: процессор аргументов программы
 39: parameter objects
 41: потоки данных
 42: eager comprehensions
 43: библиотека векторов
 45: примитивы для выражения ленивых итерационных алгоритмов
 60: битовые операции
 61: более общий cond
 66: векторы октетов
 67: процедуры сравнения

Основные реализации 
GNU Guile — язык расширений проекта GNU — интерпретатор Scheme, реализованный как библиотека, позволяющая приложениям создавать внутренний интерпретатор Scheme.

Язык Racket изначально являлся реализацией Scheme (первое наименование — PLT Scheme).

MIT Scheme — свободная (GPL) реализация для платформы x86 под Linux, FreeBSD, IBM OS/2, и Win32. 

 — интерпретатор, поддерживающий трансляцию в Си. 

JScheme — интерпретатор, написанный на Java; 

Kawa — компилятор Scheme в байт-код JVM. 

Компилятор Chez Scheme длительное время поставлялся как коммерческий продукт, с 2016 года стал свободно распространяемым (Apache).

Всего существует большое количество реализаций языка для разных платформ, в частности, есть интерпретатор Armpit Scheme для микроконтроллеров на базе архитектуры ARM.

Примечания

Литература 
 Structure and Interpretation of Computer Programs
 Видео-лекции «Structure and Interpretation of Computer Programs», Harold Abelson и Gerald Jay Sussman
 The Scheme Programming Language, R. Kent Dybvig
 Учебник HtDP (How to Design Programs, Second Edition)

Ссылки 

 A large collection of Scheme resources. Большая коллекция ресурсов по Scheme.
 Сообщество schemewiki.org

 
Языки программирования семейства Лиспа
Языки программирования для образования
Языки программирования с автоматическим управлением памятью