ليسب
ليسب هي لغة برمجة ذات تاريخ عريق، فقد تم وضع مواصفاتها عام 1958 وبذلك تحل بعد الفورتران التي طورت قبلها بسنة، كثاني لغة برمجة عالية المستوى.
وضعت ليسب كلغة ترميز رياضية عملية وفق تعريف تفاضل لامبدا وتكاملها لألونزو تشرش Alonzo Church's Lambda Calculus، لكنه سرعان ما فضل استخدامها في أبحاث الذكاء الاصطناعي، وبتصدرها كإحدى أقدم اللغات، قدمت ليسب مبادئ عديدة في علوم الحاسب كبنى البيانات الشجرية Tree Data Structures والبرمجة كائنية التوجه.
تشير ليسب إلى المصطلح LISt Processing language، القوائم المتصلة إحدى بنى البيانات الأساسية للغة، بل إن كود المصدر للغة مكون من قوائم، وكنتيجة لذلك، تعامل برامج ليسب كود المصدر كبنية بيانات Data Structure ما يعطي شأنا لنظام الماكرو Macro الذي يسمح للمبرمجين بإنشاء صيغ جديدة أو لغة مدمجة مختصة المجال في ليسب Domain-specific Programming Language.
التبادل بين الكود والبيانات يعطي للغة ليسب صيغة تعرف فورية Instantly Recognizable Syntax، فبرامج ليسب مكتوبة بشكل التعبير الرمزي S-expression (ترمز S إلى Symbol) أو كقوائم محاطة بأقواس، فعند استدعاء دالة Function "f" لها الوسائط Arguments x وy وz، تكتب تلك الدالة كالتالي:
قام باختراع ليسب الأمريكي جون مككارثي عام 1958 في معهد ماساتشوستس للتقنية. مككارثي نشر تصميمه على الورق في مجلة Communications of the ACM بعنوان "الدوال المتعددة للتعابير الرمزية وحسابها بالآلة "الجزء الأول" Recursive Functions of Symbolic Expressions and Their Computation by Machine, Part I (علما أنه لم ينشر الجزء الثاني مطلقا)، أظهر أنه بواسطة بعض المعاملات البسيطة وإجراء ترميز للدوال، يمكن بناء لغة تطابق فكرة الشمولية لتورنغ لكن من أجل الخوارزميات.
أول من قام بتنفيذ هذا التصميم كان ستيف راسل على جهاز IBM 704، بينما ظهر أول مترجم مترجم ليسب كامل كان على يدي تيم هارت Tim Hart ومايك ليفن Mike Levin في معهد ماساتشوستس للتقنية عام 1962، اللغة التي قاما ببنائها أقرب للغة المنتشرة حاليا من التي صممها مككارثي.تعد لغة ليسب لغة تعبيرية التوجه Expression-oriented Language. وبخلاف أغلب اللغات، لا فارق بين التعبيرات Expressions والجمل Statements، فالكود يكتب جميعه كتعبيرات.
لعل ما يميز صيغة كود ليسب الأقواس المستخدمة في الإحاطة بين التعبيرات، وقد سبق ذكر المصطلح S-expression الذي يعطي لصيغة ليسب استخدام الرموز.
قائمة ليسب LISP List تكتب بين قوسين بداخلهما تسرد العناصر مفصولة بمسافة بيضاء، مثلا:
هذه قائمة بها عناصر تسمى ذرات Atoms، وهي العددين 1 و2 وfoo، العنصر foo نوع من البيانات في ليسب يدعى "رمز Symbol"، يتم التعرف على نوع العنصر دون الحاجة للإعلان عنه.
القائمة الخالية () تعتبر ذرة خاصة codice_1 حيث يمكن اعتبارها ذرة إضافة لكونها قائمة.
قد تدخل القوائم كعناصر داخل قائمة ما، مثلا:
القائمة السابقة مكونة من عددين وقائمة بها عددين.
التعبيرات في ليسب تكتب كقوائم باستخدام صيغة الرموز أولا Prefix Notation، العنصر الأول هو اسم النموذج Form (مثلا: دالة Function، معامل حسابي Operator، ماكرو Macro، أو معامل خاص Special Operator وسيأتي شرحه)، بينما بقية العناصر تعد وسائط Arguments. على سبيل المثال، الدالة codice_2 تعيد وسائطها كقائمة، والتعبير التالي:
يمثل هذه القائمة (1 2 foo). علامات التنصيص التي تسبق الوسائط تعد إحدى المعاملات الخاصة Special Operators، تمنع علامات التنصيص الوسائط من إجراء الحساب عليها (ليس ذلك ضروريا مع الأعداد طالما أن العدد 1 هو 1 على سبيل المثال)، بينما الوسائط التي تخلو من تلك المعاملات فيتم تنفيذها بشكل دوري Recursively قبل الانتهاء من التعبير، المثال التالي:
يمثل هذه القائمة (1 2 (3 4))، لاحظ أن الوسيط الثالث هو قائمة، فالقوائم يمكن أن تتداخل كما سبق ذكره.
وبالمثل تعامل المعاملات الحسابية، ففي التعبير التالي:
سيتم حساب القائمة وإعادة الناتج 10. يمكن توضيح المعادلة نفسها بصيغة "الرموز بالداخل Infix Notation" فتكون "1+2+3+4". المعاملات الحسابية في ليسب من نوع n-ary أي قابلة لاستقبال أي عدد n من الوسائط.
في تصميم ليسب الأصلي، كان هناك نوعان أساسيان فقط من أنواع البيانات: الذرات Atoms والقوائم Lists. كانت القائمة سلسلة من العناصر، حيث يعتبر كل عنصر ذرة أو قائمة أخرى متداخلة، والذرة قد تكون عددا Number أو رمزا Symbol، أما الرمز فقد كان عنصرا مميزا مكونا من سلسلة من الأحرف والأرقام، وكان يستخدم كاسم متغير أو عنصر بيانات في معالجة الرموز، على سبيل المثال، القائمة codice_3 تحتوي على ثلاث عناصر، الرمز FOO، القائمة (BAR 1) والعدد 2.
الفارق الجوهري بين الذرة والقائمة كان في ثبات الذرة وتميزها، بينما كانت القائمة عنصرا منفصلا يمكن لها أن تتغير باستقلال عن القوائم الأخرى ويمكن لها أن تتميز عن القوائم الأخرى بواسطة معاملات المقارنة.
القائمة في ليسب تكون فردية الارتباط، كل خلية فيها تدعى كونس أو زوج Pair كما في صيغة سكيم Scheme، وتتكون من مؤشرين، codice_4 وcodice_5 ويماثلان حقلي data وnext المعروفان في موضوع القوائم المتصلة Linked List.
من بين البنى المتعددة للبيانات التي يمكن إنشاؤها بواسطة الخلايا هناك القائمة التامة Proper List، هذه القائمة قد تكون قائمة خالية (مجازا، تحتوي الرمز الخاص codice_1)، أو قد تكون خلية يؤشر الجزء codice_4 إلى وحدة بيانات (وقد تكون بنية أخرى كأن تكون قائمة)، أما الجزء codice_5 يؤشر إلى قائمة تامة أخرى.
فيما لو وجدت خلية معطاة بمقدمة قائمة متصلة، فالجزء codice_4 بها يحدد العنصر الأول من القائمة، والجزء codice_5 يؤشر إلى باقي القائمة، لهذا فإن دوال codice_4 وcodice_5 تسمى أيضا codice_13 وcodice_14 عند الحديث عن خلايا في بنية القوائم المتصلة (بدلا من البنى الأخرى كالشجرة tree مثلا).
إذا القائمة في ليسب لا تعتبر وحدة أساس، كحال أي نسخة Instance من صنف Class في لغة كجافا أو سي++، المتغير الذي يشير إلى قائمة معطاة هو ببساطة مؤشر إلى الخلية الأولى لتلك القائمة.
ولأن استخدام الخلايا والقوائم شائع بكثرة في أنظمة ليسب، فهناك اعتقاد خاطئ شائع بأنها البنية الوحيدة للبيانات في ليسب، لكن بالواقع، هناك بنى أخرى أبسط تكوينا كالمتجهات Vectors (المصفوفات Arrays)، الجداول المتشابكة Hash Tables، البنى Structures وهكذا.
يمكن تمثيل بنية القائمة المتصلة بأقواس التعابير الرمزية بطرق مختلفة، يمكن كتابة الخلية في القائمة المتصلة بطريقة ترميز النقطة-الزوج dotted-pair notation، مثلا: codice_15، حيث a هو الجزء codice_4 وb هو الجزء codice_5، يمكن كتابة قائمة تامة طويلة بتلك الطريقة كالتالي:
ويمكن اختصار كتابة القائمة السابقة بطريقة ترميز القائمة List Notation كالتالي:
يتم كتابة قائمة غير تامة Improper List عند الجمع بين اثنين (مثلا c مع d) لقائمة بها ثلاثة خلايا كالتالي: codice_18 حيث أن العنصر d هو آخر جزء codice_5. القائمة التالية هي الصورة الصحيحة:
يقدم ليسب إجراءات مبنية داخليا Built-in Procedures للوصول Access والتحكم بالقوائم Controlling List. يمكن إنشاء القوائم مباشرة بالإجراء codice_2، الذي يأخذ أي عدد من الوسائط، ويعيدها كعناصر بالقائمة:
مثال آخر:
ولأن القوائم يمكن أن يتم إنشاؤها بشكل أزواج وخلايا، فالإجراء codice_21 يمكن أن يدرج عنصرا بمقدمة القائمة، لاحظ أن هذا الإجراء مختلف في تعامله مع الوسائط بسبب الاختلاف في طرق إنشاء القوائم:
مثال آخر:
الإجراء codice_22 يلحق اثنين أو أكثر من القوائم إلى قائمة معينة:
مثال آخر:
بما أن القوائم في ليسب قوائم متصلة بسيطة، فهي تستطيع مشاركة بنية ما مع قوائم أخرى، فيمكن لقائمتين أن تشترك بذيل Tail واحد، أو بآخر سلسلة من الخلايا. مثلا:
القائمة foo لها العناصر (a b c) والقائمة bar لها (x b c)، الذيل (b c) يدخل في بنية كلا من القائمتين فهو ليس نسخة مكررة.
يؤدي عمل البنية المشتركة إلى تحسن في الأداء بشكل أفضل من مجرد نسخ العناصر المتكررة، لكن بالمقابل فإن أي تغيير في البنية المشتركة يؤثر على القوائم المبنية عليها، فمثلا:
عند استبدالنا العنصر c في القائمة foo بالعنصر goose، ستتغير القائمة إلى (a b goose) ولكن القائمة bar ستتغير أيضا إلى (x b goose).
يقوم ليسب بتنفيذ (أو حساب) القوائم التي يدخلها المستخدم إلى صور أخرى، وعادة ما تكون مبسطة، مثلا، القائمة (+ 2 3) تنفذ ويعاد الناتج 5. النماذج الأخرى عادة ما تنفذ وتعيد نفسها، فالعدد 5 يعيد العدد 5.
هناك عبارات يمكن وضعها بعد علامات تنصيص لمنع إجراء عملبات تنفيذ عليها (كما هو ضروري للرموز والقوائم كما ظهر ذلك بالأمثلة السابقة)، وهنا يظهر عمل المعامل الخاص codice_23 أو اختصاره علامة التنصيص الفردية codice_24. مثلا، عند إدخال الرمز foo، سيتم تنفيذه وإعطاء القيمة التي يحملها، أو تظهر رسالة خطأ لو لم يحمل أي قيمة، لكن لو أردت الإشارة إلى الرمز حرفيا، فيجب كتابة codice_25 أو اختصارا by writing codice_26.
البرامج المكتوبة أدناه بصيغة كومون ليسب Common LISP:
برنامج طباعة العبارة Hello world! الشهير:
صيغ ليسب تتجه بشكل طبيعي إلى التدوير Recursion، ولذلك بعض المسائل الرياضية يمكن التعبير عنها ببساطة كما بالمثال التالي الذي يقوم بحساب مضروب عدد n:
المثال السابق يمكن استخدام ماكرو الدوار loop بدلا من التدوير