同像性

在電腦編程中，同像性（homoiconicity來自希臘語單詞，homo-意為相同，icon含義表像），是某些程式語言的特殊屬性，這意味著用此語言書寫的程序，可用使用這個語言將其作為數據來操縱，因此只要閱讀程序自身，就能推論出來這個程序的內部表示。該屬性經常被歸結成，這個語言將「代碼當作資料」。

## 簡介

在同像性編程語言中，程序的主要表示方式，也是屬於這個語言自身的原始類型的一種資料結構。這使得在這種語言中的元編程，比在沒有這個屬性的語言中要更加容易：在這種語言中的反射（在運行時檢查程序的實體），取決於單一的、同質的結構，而且它不必去處理以複雜語法形式出現的其它一些結構。同像性語言典型的包括對語法宏的完全支持，這允許編程者以簡明方式來表達程序變換。

Lisp編程語言，是具有同像屬性的典型範例，它設計得易於進行列表操縱，而且其結構用具有嵌套列表形式的S-表達式來給出，它可以由其他LISP代碼來操縱。這類語言的其他例子有Clojure（一種現代流行的LISP方言），Rebol和Refal，以及最近的Julia等編程語言。

## 歷史

同像性一詞的原始來源，是論文《編譯器語言的巨集指令擴展》。其依據是早期具影響力的論文《TRAC (程式語言)文本處理語言》：

艾倫·凱在他1969年的博士論文中，使用並可能由此推廣了同像性這個術語：

## 用途及優點

同像性的一個優點是，向這個語言擴展新概念變得更加簡單，因為表示代碼的資料，可在程序的元層和基礎層之間傳遞。函數的抽象語法樹，可以作為元層中的資料結構來合成和操縱，然後再被求值。它可以更容易理解如何操縱代碼，因為它可以被理解為簡單的資料（因為語言本身的格式同於資料格式）。

同像性的典型演示是元循環求值器。

## 實作方法

所有范紐曼型架構的系統，其中包括絕大多數當今的通用電腦，由於原始機器代碼在記憶體中的執行方式，其資料類型是位元組，故而可以隱含地描述為具有同像性。但是這個特徵也可以在編程語言層別上抽象出來。

Lisp及其方言例如Scheme，Clojure，Racket等，使用S-表達式來實現同像性。

其他被認為具有同像性的語言包括：

- Curl
- Elixir
- Io
- Julia
- Prolog
- R
- Rebol
- Red (程式語言)
- SNOBOL
- Tcl
- XSLT
- Refal
- Rexx
- Wolfram語言

## 同像性語言的編程範例

### Lisp

Lisp使用S-表達式作為資料和源碼的外部表示。S-表達式可以用原始Lisp函數`READ`讀取。`READ`返回Lisp資料：列表、符號、數字和字串。原始Lisp函數`EVAL`使用以資料形式表示的Lisp代碼，計算副作用並得出返回結果。結果由原始Lisp函數`PRINT`列印出來，它從Lisp資料產生一個外部的S-表達式。下面示例採用Common Lisp的SBCL實現。

以下Lisp示例，構造出的列表含有結構類型`person`：它有兩個屬性`name`和`age`，其類型分別是字串和整數：

```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代碼示例，使用了列表、符號和數值：

```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函數`LIST`產生上面的表達式，並將變量EXPRESSION設置為結果：

```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)
```

將`COS`這項變更為`SIN`：

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

求值表達式：

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

將表達式列印到字串：

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

從字串中讀取表達式：

```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是同像性語言並且提供了很多反射設施。

```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行建立一個新子句。算符`:-`分隔一個子句的頭部和主體。通過`assert/1`將它增加到現存的子句中，即增加它到「資料庫」，這樣我們可以以後調用它。在其他語言中可以稱為「在運行時間建立一個函數」。還可以使用`abolish/1`或`retract/1`從資料庫中移除子句。注意在子句名字後的數，是它可以接受的實際參數的數目，它也叫做元數。

我們可以查詢資料庫來得到一個子句的主體：

```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`類似於Lisp的`eval`函數。

### Rebol

Rebol可巧妙的演示將代碼當作數據來操縱和求值的概念。Rebol不像Lisp，不要求用圓括號來分隔表達式。下面是Rebol代碼的例子，注意`>>`表示解釋器提示符，出於可讀性而在某些元素之間增加了空格：

```
>> 
```

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

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

在Rebol中`repeat`事實上是內建函數而非語言構造或關鍵字。通過將代碼包圍在方括號中，解釋器不求值它，而是將它當作包含字的塊：

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

這個塊有類型`block!`，並且使用近乎賦值的語法，可以進一步的將它指定為一個字的值，這種語法實際上可以被解釋器理解為特殊類型`set-word!`，並採用一個字跟隨一個冒號的形式：

```
>> 
```

```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!
```

這個塊仍可以使用Rebol中提供的`do`函數來解釋，它類似於Lisp中的`eval`。有可能審查塊的元素並變更它們的值，從而改變要求值代碼的行為：

```
>> 
```

```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
```

## 另見

- 標記法的認知維度，程式語言語法的設計原理。
- 串接程式語言。
- 面向語言編程。
- 符號式編程。
- 自修改代碼。
- LISP，同像性語言的可能最周知的例子。
- 元編程，對同像性非常有用的編程技術。
- 實化。

## 外部連結

- Definition of Homoiconic at the C2 Wiki