Common Lisp

構文

一般的なLispと同様のS式による構文である。

評価順

評価順は、非常に単純な「左から右」、「内側から外側」モデルである（「左から右」を標準で決めているという点は特徴と言えるかもしれない（プログラミング言語の他の標準では決められていないものも多い））。
(F A1 A2) のようなS式で、Fが関数ならば、その引数 A1、A2 を左から右へ順番に評価し、最後にFにその引数を渡す。Fがマクロならば、まずマクロを展開する。
(+ 2 2) ; 2 と 2 を足す; --> 4;; 与えられた数を二乗する関数を定義(defun square (x) 
  (* x x));; 関数を実行(square 3); --> 9 を返す

静的スコープ

以前のLispでは動的スコープのものも多かったが、Common Lispでは（Schemeと同様な）静的スコープが標準化された。

データ型

Common Lispの型システムは階層的である。型はdeftypeを用いて定義され、typeはsupertype,subtypeという概念を持つ。すべての type は supertype として t (他の言語におけるtrueやObject)をもつ。従って、全てのオブジェクトは型tのインスタンスである。一方、型nilは、どのオブジェクトもそのインスタンスにならない型である。
型にはbuilt-inな型とそうでないものがある。built-inな型は、整数、浮動小数、複素数、文字等といった(他の言語で言う)プリミティブな型に、配列やストリームなど組み込みの型を合わせたものである。built-inでない型には、構造体、クラスなどがある。このように、型システムはクラスおよびオブジェクトシステムと連続的に融合されている。
型は type specifierという記述方式で参照され、これはよくtypespecと省略される。typespecを用いて議論する上で、built-inとは直交する概念として、Atomic Type 対 Compound Typeという概念がある。Compound type は、大雑把には、引数を取ることのことができる型である。例えば、(array fixnum (5 * 7))は、データ内容がすべて整数型で、サイズが次元ごとに「5,可変長,7」である配列を示している。
Compound Typeでは、本来の型に合わせて、特定の一変数関数を型判定に用いることもできる。例えば、型 mod3 を以下のように定義できる。
(defun mod3 (n)
  (= (/ n 3) 0))(deftype mod3 ()
  `(and fixnum (satisfies mod3)))
しかし、Common LispにはHaskellにおけるような型変数の概念はない。上のarrayの例における引数は、変数ではなく定数として処理されるためである。

アトム ATOM

Common Lispにおけるアトムとは、誤解を恐れず簡単に言うとlispにおいて「括弧によって囲まれないアトム」すべてを指す。数値はアトムである。シンボル、文字列、文字もアトムである。ANSI CLでは、Compound type (not cons) として定義されている。

文字

Common Lisp の文字型(char)は、ASCII文字の範囲に限定されない。これは LISP が ASCII 以前からあった事を考えれば驚くようなことではない。いくつかの最近の処理系は Unicode 文字をサポートしている文字列は、下で述べるシーケンスのsubtypeである。

シンボル

シンボル型は LISP 言語にとっては普通だが、その他の言語ではあまり知られていない型である。シンボルとはユニークで、いくつかのスロットを備えた名付きのデータオブジェクトである。シンボルの備えるスロットのなかでは値セルと関数セルが最も重要なものである。シンボルは、変数の値を保持するための、他の言語でいう識別子として使われる事が多いが、それ以外の用法が多数存在する。通常、シンボルを評価するとその値が返る。いくつかのシンボルは評価するとそのシンボル自身が返る。例えば、キーワードパッケージ中のシンボルはすべて自己評価シンボルである。Common Lisp における真偽値は、自己評価シンボル t と nil によって表現される。Common Lisp はパッケージと呼ばれるシンボルのための名前空間を備えている。

シーケンス

Common Lisp におけるシーケンス型は、リスト、ベクタ、ビットベクタ、文字列からなる。mapやreduceなどの多くの操作は、任意のシーケンス型に対して動作する。
他の LISP系の言語と同様、Common Lisp のリストはコンス（コンスセル、ペアとも呼ばれる）で構成される。コンスセルはcarとcdrの二つのスロットを備えたデータ構造である。リストはコンスセルを繋ぎ合わせたものである。それぞれのコンスセルの car スロットはリストの要素（他のリストである可能性もある）を参照し、cdr スロットは次のコンスセルを参照する。ただし、最後のコンスセルの cdr だけは nil を参照する。コンスセルによって、簡単に木構造やその他の複雑なデータ構造を実現できるが、大抵他のデータ構造を使うか、クラスのインスタンスを使うほうが推奨される。

配列

Common Lisp は多次元の 配列をサポートしており、また必要に応じて配列を動的にリサイズする事も可能である。多次元配列は行列演算に利用される。ベクタは一次元の配列である。配列は任意の型を要素として持つことができる（一つの配列に複数の型の要素を混在させることもできる）が、それに加えて、整数のベクタのように要素を特定の型に特定化することも可能である。多くの実装では、型指定された配列を使う場合には、配列操作の最適化が可能である。型指定された配列のなかで二種類が標準で定義されている。文字列は文字を要素としたベクタであり、ビットのベクタはビットベクタである。
ビットベクタとベクタはシーケンスのsubtypeでもある。

その他

ハッシュテーブルはデータオブジェクト間の関連を保持する。任意のオブジェクトがキーもしくは値として使用可能である。ハッシュテーブルは配列のように必要に応じて動的にリサイズされる。パッケージはシンボルの集合であり、主にプログラムの一部を 名前空間 で分割するために使用される。パッケージはいくつかのシンボルをエクスポートすることで、インターフェースを公開する。構造体 は C言語の構造体や Pascal のレコードに似た、複数の型と値のフィールド（スロットと呼ばれる）で構成される複合的なデータ構造である。クラスのインスタンスは構造体に似ているが、これはオブジェクトシステム CLOS によって作られるものである。

関数

Common Lisp では、関数 もデータ型の一つである。たとえば、これは他の関数を引数として取る関数を書く事を可能としたり、関数を返すような関数を書く事を可能とする。これにより、非常に汎用化された操作を記述できるようになる。このため、Common Lisp のライブラリは、多くの部分が高階関数の上に成りたっている。たとえば、sort 関数は、引数として 比較オペレータ を取る。これは、比較関数が任意の型のデータを整列できるだけでなく、キーによって任意のデータ構造を整列することも可能にする。
 (sort (list 5 2 6 3 1 4) #'>)
 ;「 > 関数」を比較オペレータとして用い、リストを整列する
 ; --> (6 5 4 3 2 1) 

 (sort (list '(9 a) '(3 b) '(4 c))
       #'(lambda (x y) (< (car x) (car y))))
 ; リスト内のサブリスト中の最初の要素 (car) に沿ってリストを整列する
 ; --> ((3 b) (4 c) (9 a))

関数定義

defun マクロは関数を定義する。関数定義は名前と、引数の名前、そして関数本体で構成される。
 (defun square (x)
   (* x x))
関数定義は、コンパイラに最適化設定や引数のデータ型を指定に関するヒントを与えるための 宣言や、LISP システムに対話的なドキュメンテーションを与えるためのドキュメンテーション文字列を含むことがある。
 (defun square (x)
   "Calculates the square of the number x."
   (declare (number x) (optimize (speed 3) (debug 0) (safety 1)))
   (* x x))
無名関数は lambda 式を用いて定義される。LISP 的なプログラミングスタイルでは、高階関数の引数として無名関数を使う場合が多い。
関数の定義や操作に関する多くのオペレータが存在する。たとえば、関数は compile によって再コンパイルされる場合がある。(いくつかの LISP システムでは、明示的なコンパイル命令があるまで、デフォルトでは関数をインタプリタで実行するものや、オンザフライで関数を実行するたびにコンパイルするものなどがある)

総称関数とメソッドの定義

defgenericマクロは、総称関数（ジェネリック関数）を定義する。defmethodマクロはメソッドを定義する。総称関数はメソッドの集合である。メソッドはそのパラメータとして渡されたクラスやオブジェクトによって特定化される。総称関数が呼び出されると、マルチメソッドディスパッチ（多重メソッドディスパッチ）により、実際に使用されるメソッドが決定される。
  (defgeneric add (a b))
  (defmethod add ((a number) (b number))
    (+ a b))
  (defmethod add ((a string) (b string))
    (concatenate 'string a b))
  (add "Zippy" "Pinhead") ; returns "ZippyPinhead"
  (add 2 3)               ; returns 5
総称関数もファーストクラスのデータ型である。
総称関数やメソッドには上に記載したよりも、もっと豊富な機能が存在する。

関数名前空間

関数名のための名前空間は、データ変数のための名前空間とは分離されている。これは Common Lisp と Scheme における主要な違いである。defun、flet そして labels のようなオペレータは関数名前空間へ名前を定義する。
他の関数への引数として関数名を渡す場合には、function スペシャルオペレータ（通常 #' と略記される）を使う必要がある。最初の sort 引数では、関数名前空間にシンボル > で定義された関数名を #'> というコードで参照している。
Scheme の評価モデルはより単純で、単一の名前空間のみが存在し、引数部分だけでなくあらゆる位置で、評価順序を問わずフォームは評価される。この事が Common Lisp と Scheme のどちらかの方言で書かれたコードは、ときどき他方の経験を持つプログラマーを混乱させることになる。たとえば、Common  Lisp プログラマーの多くは list あるいは string といった説明的な変数名を使用する事を好むが、これらの名称は Scheme ではローカルに関数名を上書きしてしまうという問題を起こすことになる。
関数に独立した名前空間を持つ事が利点かどうかは、LISP コミュニティにおける論争の源となっている。この論争は一般に「Lisp-1 vs. Lisp-2 の議論」と言われる。この用語は リチャード・ガブリエル と ケント・ピットマン らによる二つの手法を広範囲にわたって比較した 1988 年の論文で作られた。

スコープ

他のプログラミング言語におけるプログラムと同様に、Common Lisp のプログラムも変数や関数、その他の要素を参照するために名前を用いる。名前が参照するものは、スコープによって決定されている。
名前と、それが参照する実体との関係を束縛（バインディング）と呼ばれている。

マクロ

LISP系言語におけるマクロは、表面上は関数と同じように使われる。しかし、それは評価される式を表すというよりプログラムのソースコードの変形を表現している。
マクロはプログラマーに言語内に新しい構文フォームを作る事を可能とする。たとえば、このマクロは Perl のような言語で馴染みのある until ループのためのフォームを実現する。
 (defmacro until (test &body body)
  `(do ()
     (,test)
     ,@body))

 ;; example
 (until (= (random 10) 0) 
   (write-line "Hello"))(macroexpand-1 '(until (= (random 10) 0) 
                  (write-line "Hello")));; -->;; '(do ();;    ((= (random 10) 0));;    (write-line "Hello"))
すべてのマクロは、内に含むソースコードが評価、あるいはコンパイルされるよりも前に必ず展開される。マクロは抽象構文木（S 式）を受けとり、それを変更して返す関数だと考えることができる。これらの関数は、最終的なソースコードを生成するために評価器やコンパイラよりも前に呼び出される。マクロは通常の Common Lisp で記述され、任意の Common Lisp オペレータ（あるいは自作のオペレータ）を使うことができる。
上の例で使用されているバッククォート記法は一般的なコードテンプレートへの代入を単純化するために　Common Lisp によって提供されているものである。

変数のキャプチャとシャドウイング

Common Lisp のマクロには、マクロ展開されたコードに、呼び出し側の文脈で使われているシンボルが出現する変数キャプチャという機能がある。これは、プログラマが特殊な意味をもつシンボルを備えたマクロを作ることを可能とする。
変数キャプチャは予期しない、一風変わったエラーを引き起こす可能性がある。Scheme のような他の LISP系のシステムでは、変数キャプチャを許さないマクロ構文を備えているものもある。Common Lisp では、意図しないキャプチャを避けるために、キャプチャの恐れのないマクロ展開時にユニークな変数を導入する gensym オペレータを使って回避するのが一般的である。
その他の問題として、不用意なマクロ展開時のオペレータのシャドウイングがある。たとえば、次のような (不正な) コードである。
 (macrolet ((do (...) ... something else ...))
   (until (= (random 10) 0)
     (write-line "Hello")))
until マクロは do の呼び出しへと展開される事になる。この時、意図しているのは組み込みのマクロ do であるが、このコンテキストでは do はまったく異なる意味を持つことになる。
Common Lisp では、do のような組み込みオペレータの再定義を禁止することで、オペレータのシャドウイング問題を和らげようとしている。さらに、ユーザーはそれぞれ自分のコードをパッケージに分離する事ができる。組み込みのシンボルは、ユーザーパッケージ内でシャドウイングされてしまっていても、COMMON-LISP パッケージで見つけることができる。

Common Lisp Object System

Common Lisp は オブジェクト指向プログラミング のための道具として、Common Lisp Object System（CLOS）を備えている。これは、現在利用可能な言語の中で、もっとも強力なオブジェクトシステムの一つである。元々アドオン機能として提案された CLOS は、Common Lisp の ANSI 標準規格の一部として採用された。CLOS は 動的オブジェクトシステムであり、C++ や Java のような静的な言語のオブジェクト指向機能とは根本的に異なったものである。

他の LISP 系言語との比較

Common Lisp と最も頻繁に比較対照されるのが Scheme である — これら二つは最も有名な LISP系言語だからだ。Scheme は Common Lisp よりも古く、同じ LISP の伝統から生みだされただけでなく、同じエンジニアのガイ・スティール・ジュニアが Common Lisp 委員会の議長を務めた。
以前の多くのLispの方言や実装とは異なり、Common Lisp は Scheme と同様な、スコープは静的スコープのみを基本とする仕様である。
ZetaLisp や Franz Lisp といった Common Lisp の設計に寄与した実装の多くは、インタプリタでは動的スコープを、コンパイラでは静的スコープ、という仕様になっていた。Schemeはそういったものとは異なり、静的スコープのみであった。Common Lisp は動的スコープをもサポートしているが、明示的な special 宣言が必要である。ANSI Common Lisp のインタプリタとコンパイラの間にはスコープに関しての相異点は全く存在しない。
時々、Common Lisp は「Lisp-2」、Scheme は「Lisp-1」と呼ばれることがある。これは Common Lisp が関数名と変数名(2つ)にそれぞれ独立した名前を備えている事に起因した名前である。しかし、実際には Common Lisp は go タグやブロック名、loop キーワードなど多くの名前空間を持っているし、マクロをうまく使えば、構文的に名前空間を追加することも出来る。複数の名前空間に関するトレードオフについて、Common Lisp と Scheme のそれぞれを支持する論争が長いあいだ行われている。Scheme では変数名と関数名の衝突を避ける必要があるため、Scheme の関数はよく lis や lst、lyst といった関数名と衝突しないような引数名を取ることになる。一方 Common Lisp では引数として使う場合に、明示的に関数の名前空間を参照する必要がある。これは上にでてきた sort のサンプルのように一般的なことである。
Common Lisp はまた、真偽値の扱いが Scheme とは異なっている。Scheme は真と偽の表現として #t と #f という特別な値を用いている。Common Lisp は、より古い LISP系言語の伝統に従ってシンボルの t と nilを使っている。Common Lisp においては、if のような条件式において任意の nil でない値が真として扱われる。このことは、いくつかのオペレータが述語として働くと同時に、後の計算に使うための有意な値を返すものとして動作する事を可能としている。
Scheme の標準規格は 末尾再帰の最適化 を要求しているが、Common Lisp の規格はしていない。ほとんどの Common Lisp 実装は末尾再帰の最適化を提供するが、それでもプログラマーが最適化宣言を使った場合のみである場合が多い。それにも関わらず、一般的な Common Lisp のコーディングスタイルは Scheme スタイルで好まれるようなあらゆる場合に再帰を使うというやり方とは異なっている。Scheme プログラマが末尾再帰で表現するものを、Common Lisp プログラマーは do、dolist、loop、最近だと iterate パッケージを使って反復で表現する。

実装

Common Lisp は Perl言語のように唯一の実装による規定されるものではなく、Ada やC言語のように仕様によって規定されている。
さらに、実装は標準規格でカバーされていない機能を提供するライブラリとともに配布される傾向がある。そのような追加機能をポータブルに利用可能とする フリーソフトウェア ライブラリが作成されている。最も顕著なものが、Common-Lisp.net や Common Lisp Open Code Collection プロジェクトである。
Common Lisp はインクリメンタルなコンパイラとして実装されるように設計された。関数のインライン展開のような最適化コンパイルのための標準的な宣言が言語規格に提案されている。ほとんどの Common Lisp 実装は関数を機械語へとコンパイルし、Lispの環境を含めたコアダンプとして出力する。その他のコンパイラは、性能では劣るが、移植性に勝る バイトコード へとコンパイルする。LISP系の言語はインタプリタ型言語であるという誤解は、そのほとんどが Common Lisp 環境がインタラクティブなプロンプトを提供し、関数をその都度コンパイルするということに起因している。
CLISP のような、UNIX 上で動くいくつかの実装は、システムが Perl やUNIXシェルインタプリタを透過的に呼び出すのと同様に スクリプトのインタプリタとして使うことができる。