同像性

在计算机编程中，同像性（homoiconicity来自希腊语单词，homo-意为相同，icon含义表像），是某些编程语言的特殊属性，这意味着用此语言书写的程序，可用使用这个语言将其作为数据来操纵，因此只要阅读程序自身，就能推论出来这个程序的内部表示。该属性经常被归结成，这个语言将“代码当作数据”。

## 简介

在同像性编程语言中，程序的主要表示方式，也是属于这个语言自身的原始类型的一种资料结构。这使得在这种语言中的元编程，比在没有这个属性的语言中要更加容易：在这种语言中的反射（在运行时检查程序的实体），取决于单一的、同质的结构，而且它不必去处理以复杂语法形式出现的其它一些结构。同像性语言典型的包括对语法宏的完全支持，这允许编程者以简明方式来表达程序变换。

Lisp编程语言，是具有同像属性的典型范例，它设计得易于进行列表操纵，而且其结构用具有嵌套列表形式的S-表达式来给出，它可以由其他LISP代码来操纵。这类语言的其他例子有Clojure（一种现代流行的LISP方言），Rebol和Refal，以及最近的Julia等编程语言。

## 历史

同像性一词的原始来源，是论文《编译器语言的宏指令扩展》。其依据是早期具影响力的论文《TRAC (编程语言)文本处理语言》：

艾伦·凯在他1969年的博士论文中，使用并可能由此推广了同像性这个术语：

## 用途及优点

同像性的一个优点是，向这个语言扩展新概念变得更加简单，因为表示代码的资料，可在程序的元层和基础层之间传递。函数的抽象语法树，可以作为元层中的资料结构来合成和操纵，然后再被求值。它可以更容易理解如何操纵代码，因为它可以被理解为简单的资料（因为语言本身的格式同于资料格式）。

同像性的典型演示是元循环求值器。

## 实作方法

所有范纽曼型架构的系统，其中包括绝大多数当今的通用计算机，由于原始机器代码在内存中的执行方式，其资料类型是字节，故而可以隐含地描述为具有同像性。但是这个特征也可以在编程语言层别上抽象出来。

Lisp及其方言例如Scheme，Clojure，Racket等，使用S-表达式来实现同像性。

其他被认为具有同像性的语言包括：

- Curl
- Elixir
- Io
- Julia
- Prolog
- R
- Rebol
- Red (编程语言)
- SNOBOL
- Tcl
- XSLT
- Refal
- Rexx
- Wolfram语言

## 同像性语言的编程范例

### Lisp

Lisp使用S-表达式作为资料和源码的外部表示。S-表达式可以用原始Lisp函数`READ`读取。`READ`返回Lisp资料：列表、符号、数字和字串。原始Lisp函数`EVAL`使用以资料形式表示的Lisp代码，计算副作用并得出返回结果。结果由原始Lisp函数`PRINT`打印出来，它从Lisp资料产生一个外部的S-表达式。下面示例采用Common Lisp的SBCL实现。

以下Lisp示例，构造出的列表含有结构类型`person`：它有两个属性`name`和`age`，其类型分别是字符串和整数：

```lisp
* (defstruct person name age)
PERSON

* (person-name (cadr (list (make-person :name "john" :age 20) (make-person :name "mary" :age 18) (make-person :name "alice" :age 22))))
"mary"
```

以下Lisp代码示例，使用了列表、符号和数值：

```lisp
* (* (sin 1.1) (cos 2.03))      ; 中綴表示法為 sin(1.1)*cos(2.03)
-0.39501375
```

使用原始Lisp函数`LIST`产生上面的表达式，并将变量EXPRESSION设置为结果：

```lisp
* (defvar expression)
EXPRESSION

* (setf expression  (list '* (list 'sin 1.1) (list 'cos 2.03)) )  
(* (SIN 1.1) (COS 2.03))
; Lisp傳回並打印結果

* (third expression)    ; 表達式中的第三項
(COS 2.03)
```

将`COS`这项变更为`SIN`：

```lisp
* (setf (first (third expression)) 'SIN)
SIN
; 變更之後的表達式為 (* (SIN 1.1) (SIN 2.03)).
```

求值表达式：

```lisp
* (eval expression)
0.79888344
```

将表达式打印到字串：

```lisp
* (princ-to-string expression)
"(* (SIN 1.1) (SIN 2.03))"
```

从字串中读取表达式：

```lisp
* (read-from-string "(* (SIN 1.1) (SIN 2.03))")
(* (SIN 1.1) (SIN 2.03))
24
; 傳回一個其中有列表，數字和符號的列表
```

### Prolog

Prolog是同像性语言并且提供了很多反射设施。

```lisp
1 ?- X is 2*5.
X = 10.

2 ?- L = (X is 2*5), write_canonical(L).
is(_, *(2, 5))
L = (X is 2*5).

3 ?- L = (ten(X):-(X is 2*5)), write_canonical(L).
:-(ten(A), is(A, *(2, 5)))
L = (ten(X):-X is 2*5).

4 ?- L = (ten(X):-(X is 2*5)), assert(L).
L = (ten(X):-X is 2*5).

5 ?- ten(X).
X = 10.

6 ?-
```

在第4行建立一个新子句。算符`:-`分隔一个子句的头部和主体。通过`assert/1`将它增加到现存的子句中，即增加它到“数据库”，这样我们可以以后调用它。在其他语言中可以称为“在运行时间建立一个函数”。还可以使用`abolish/1`或`retract/1`从数据库中移除子句。注意在子句名字后的数，是它可以接受的实际参数的数目，它也叫做元数。

我们可以查询数据库来得到一个子句的主体：

```lisp
7 ?- clause(ten(X),Y).
Y = (X is 2*5).

8 ?- clause(ten(X),Y), Y = (X is Z).
Y = (X is 2*5),
Z = 2*5.

9 ?- clause(ten(X),Y), call(Y).
X = 10,
Y = (10 is 2*5).
```

`call`类似于Lisp的`eval`函数。

### Rebol

Rebol可巧妙的演示将代码当作数据来操纵和求值的概念。Rebol不像Lisp，不要求用圆括号来分隔表达式。下面是Rebol代码的例子，注意`>>`表示解释器提示符，出于可读性而在某些元素之间增加了空格：

```
>> 
```

```smalltalk
repeat i 3 [ print [ i "hello" ] ]
```

```
1 hello
2 hello
3 hello
```

在Rebol中`repeat`事实上是内建函数而非语言构造或关键字。通过将代码包围在方括号中，解释器不求值它，而是将它当作包含字的块：

```smalltalk
[ repeat i 3 [ print [ i "hello" ] ] ]
```

这个块有类型`block!`，并且使用近乎赋值的语法，可以进一步的将它指定为一个字的值，这种语法实际上可以被解释器理解为特殊类型`set-word!`，并采用一个字跟随一个冒号的形式：

```
>> 
```

```smalltalk
block1: [ repeat i 3 [ print [ i "hello" ] ] ]
```

```
;; 将这个块的值赋值给字`block1`
== [repeat i 3 [print [i "hello"]]]
>> 
```

```smalltalk
type? block1
```

```
;; 求值字`block1`的类型
== block!
```

这个块仍可以使用Rebol中提供的`do`函数来解释，它类似于Lisp中的`eval`。有可能审查块的元素并变更它们的值，从而改变要求值代码的行为：

```
>> 
```

```smalltalk
block1/3
```

```
;; 这个块的第三个元素
== 3
>> 
```

```smalltalk
block1/3: 5
```

```
;; 设置第三个元素的值为5
== 5
>> 
```

```smalltalk
probe block1
```

```
;; 展示变更了的块
== [repeat i 5 [print [i "hello"]]]
>> 
```

```smalltalk
do block1
```

```
;; 求值这个块
1 hello
2 hello
3 hello
4 hello
5 hello
```

## 另见

- 标记法的认知维度，编程语言语法的设计原理。
- 串接编程语言。
- 面向语言编程。
- 符号式编程。
- 自修改代码。
- LISP，同像性语言的可能最周知的例子。
- 元编程，对同像性非常有用的编程技术。
- 实化。

## 外部链接

- Definition of Homoiconic at the C2 Wiki