src/sicp/metacircular2-with-analysis.rkt

   1 #lang racket
   2
   3 (require (rename-in racket/base
   4                     (apply apply-in-underlying-scheme)
   5                     (eval eval-in-underlying-scheme)))
   6
   7 (provide (all-defined-out))
   8
   9 (define (self-evaluating? expr)
  10   (match expr
  11     [(? number? expr) #t]
  12     [(? char? expr) #t]
  13     [(? string? expr) #t]
  14     [_ #f]))
  15
  16 (define (variable? expr) (symbol? expr))
  17
  18
  19 ;; sequence
  20 (define (eval-sequence exps env)
  21   (cond ((last-exp? exps) (eval (first-exp exps) env))
  22         (else (eval (first-exp exps) env)
  23               (eval-sequence (rest-exps exps) env))))
  24
  25 ;; begin
  26 (define (last-exp? seq) (null? (cdr seq)))
  27 (define (first-exp seq) (car seq))
  28 (define (rest-exps seq) (cdr seq))
  29
  30 ;; lambda
  31 (define (make-lambda parameters body)
  32   (cons 'lambda (cons parameters body)))
  33
  34 (define (analyze-sequence exps)
  35   (define (sequentially proc1 proc2)
  36     (lambda (env) (proc1 env) (proc2 env)))
  37   (define (loop first-proc rest-procs)
  38     (if (null? rest-procs)
  39         first-proc
  40         (loop (sequentially first-proc (car rest-procs))
  41               (cdr rest-procs))))
  42   (let ((procs (map analyze exps)))
  43     (if (null? procs)
  44         (error "Empty sequence -- ANALYZE")
  45         (loop (car procs) (cdr procs)))))
  46
  47 ;; environment data structures
  48 (define (enclosing-environment env) (cdr env))
  49 (define (first-frame env) (car env))
  50 (define the-empty-environment '())
  51
  52 (define (make-frame variables values)
  53   (let ([ht (make-hash)])
  54     (for-each (lambda (var val)
  55                 (hash-set! ht var val))
  56               variables
  57               values)
  58     ht))
  59
  60 (define (frame-variables frame)
  61   (hash-keys frame))
  62
  63 (define (frame-values frame)
  64   (hash-values frame))
  65
  66 (define (add-binding-to-frame! var val frame)
  67   (hash-set! frame var val))
  68
  69 ;; environment is a list of frames, most recent being the last
  70 ;; one consed into the list
  71 (define (extend-environment vars vals base-env)
  72   (let ([frame (make-frame vars vals)])
  73     (cons frame base-env)))
  74
  75 (define (lookup-variable-value var env)
  76   (if (eq? env the-empty-environment)
  77       (error "unbound variable: " var)
  78       (let ([frame (first-frame env)])
  79         (let ([value (hash-ref frame var (lambda () (lookup-variable-value var (enclosing-environment env))))])
  80           (if (eq? value '*unassigned*)
  81               (error "evaluating a variable that is not assigned a value -- " var)
  82               value)))))
  83
  84 (define (set-variable-value! var val env)
  85   (if (eq? env the-empty-environment)
  86       (error "unbound variable: " var)
  87       (let ([frame (first-frame env)])
  88         (if (hash-has-key? frame var)
  89             (hash-set! frame var val)
  90             (set-variable-value! var val (enclosing-environment env))))))
  91
  92 (define (define-variable! var val env)
  93   (let ([frame (first-frame env)])
  94     (if (hash-has-key? frame var)
  95         (hash-set! frame var val)
  96         (add-binding-to-frame! var val frame))))
  97
  98 ;; primitive procedure
  99 (define (primitive-implementation proc) (cadr proc))
 100
 101 (define primitive-procedures
 102   (list (list 'car car)
 103         (list 'cdr cdr)
 104         (list 'cons cons)
 105         (list 'null? null?)
 106         (list 'list list)
 107         (list '+ +)
 108         (list '- -)
 109         (list '* *)
 110         (list '/ /)
 111         (list '= =)
 112         (list '> >)
 113         (list '< <)))
 114
 115 (define (primitive-procedure-names)
 116   (map car primitive-procedures))
 117
 118 (define (primitive-procedure-objects)
 119   (map (lambda (proc) (list 'primitive (cadr proc)))
 120        primitive-procedures))
 121
 122 (define (apply-primitive-procedure proc args)
 123   (apply-in-underlying-scheme
 124    (primitive-implementation proc) args))
 125
 126 ;; global env
 127 (define (make-environment)
 128   (let ((initial-env
 129          (extend-environment (primitive-procedure-names)
 130                              (primitive-procedure-objects)
 131                              the-empty-environment)))
 132     (define-variable! 'true true initial-env)
 133     (define-variable! 'false false initial-env)
 134     initial-env))
 135
 136 (define the-global-environment (make-environment))
 137
 138 ;; application
 139 (define (list-of-values exps env)
 140   (if (no-operands? exps)
 141       '()
 142       (cons (eval (first-operand exps) env)
 143             (list-of-values (rest-operands exps) env))))
 144
 145 (define (no-operands? ops) (null? ops))
 146 (define (first-operand ops) (car ops))
 147 (define (rest-operands ops) (cdr ops))
 148
 149 ;; compound procedure
 150 (define (make-procedure params body env)
 151   (list 'procedure params (scan-out-definitions body) env))
 152
 153 (define (procedure-parameters p) (cadr p))
 154 (define (procedure-body p) (scan-out-definitions (caddr p)))
 155 (define (procedure-environment p) (cadddr p))
 156
 157 (define (execute-application procedure arguments)
 158   (match procedure
 159     [`(primitive ,f ...)  (apply-primitive-procedure procedure arguments)]
 160     [`(procedure ,f ...)  ((procedure-body procedure)
 161                            (extend-environment
 162                             (procedure-parameters procedure)
 163                             arguments
 164                             (procedure-environment procedure)))]
 165     [_                (error "Unknown procedure type -- APPLY" procedure)]))
 166
 167 ;; truth
 168 (define (true? x)
 169   (not (eq? x false)))
 170
 171 (define (false? x)
 172   (eq? x false))
 173
 174 ;; cond
 175 (define (cond->if clauses)
 176   (define (seq->exp actions)
 177     (if (empty? (cdr actions))
 178         (car actions)
 179         `(begin ,@actions)))
 180   (if (empty? clauses)
 181       'false
 182       (let ([clause (car clauses)])
 183         (match clause
 184           [`(else ,action ...) (seq->exp action)]
 185           [`(,pred ,action ...) `(if ,pred
 186                                      ,(seq->exp action)
 187                                      ,(cond->if (cdr clauses)))]))))
 188
 189 ;; let
 190 (define (let->combination lexpr)
 191   (match-let* ([`(let ,(? (lambda (x) (or (pair? x) (empty? x))) bindings) ,body ..1) lexpr]
 192                [`((,var ,val) ...) bindings])
 193     `((lambda ,var ,@body) ,@val)))
 194
 195 ;; named let
 196 (define (named-let->combination lexpr)
 197   (match-let* ([`(let ,(? symbol? name) ,(? (lambda (x) (or (pair? x) (empty? x))) bindings) ,body ..1) lexpr]
 198                [`((,var ,val) ...) bindings])
 199     `(begin (define ,name (lambda ,var ,@body))
 200             (,name ,@val))))
 201
 202 ;; let*
 203 (define (let*->nested-lets lexpr)
 204   (match lexpr
 205     [`(let* (,first-binding ,rest-bindings ...) ,body ..1)
 206      `(let (,first-binding) ,(let*->nested-lets `(let* ,rest-bindings ,@body)))]
 207      [`(let* () ,body ..1) `(let () ,@body)]))
 208
 209 ;; internal definitions
 210 (define (scan-out-definitions body)
 211   (match body
 212     [`((define ,var ,e) ..1 ,rest)
 213      `((let ,(map (lambda (v) (list (car v) ''*unassigned*)) var)
 214         ,@(map (lambda (v e) `(set! ,(car v) (lambda ,(cdr v) ,e))) var e)
 215         ,rest))]
 216     [_  body]))
 217
 218 ;; letrec
 219 (define (letrec->combination lexpr)
 220   (match lexpr
 221     [`(letrec (,bindings ...) ,body ..1)
 222      `(let ,(map (lambda (v) (list (car v) ''*unassigned*)) bindings)
 223         ,@(map (lambda (binding)
 224                  (let ([name (car binding)]
 225                        [value (cadr binding)])
 226                    `(set! ,name ,value)))
 227                bindings)
 228         ,@body)]))
 229
 230 (define (analyze exp)
 231   ;; use this display statement to visualize the recursive evaluation process
 232   ;;(display (format "~s~%" exp))
 233   (match exp
 234     [(? self-evaluating? exp) (lambda (env) exp)]
 235     [(? variable? exp) (lambda (env) (lookup-variable-value exp env))]
 236     [`(quote ,x) (lambda (env) x)]
 237     [`(set! ,var ,val) (let ([vproc (analyze val)])
 238                          (lambda (env)
 239                            (set-variable-value! var (vproc env) env)))]
 240     [`(define ,(? (lambda (x) (not (pair? x))) var) ,b) (let ([vproc (analyze b)])
 241                                                           (lambda (env)
 242                                                             (define-variable! var (vproc env) env)))]
 243     [`(define ,(? pair? var) ,b ..1) (let ([pproc (analyze (make-lambda (cdr var) b))]
 244                                            [pname (car var)])
 245                                        (lambda (env)
 246                                          (define-variable! pname (pproc env) env)))]
 247     [`(if ,pred ,consequent ,alternative) (let ([pproc (analyze pred)]
 248                                                 [cproc (analyze consequent)]
 249                                                 [aproc (analyze alternative)])
 250                                             (lambda (env)
 251                                               (if (true? (pproc env))
 252                                                   (cproc env)
 253                                                   (aproc env))))]
 254     [`(lambda ,parameters ,body ..1) (let ([bproc (analyze-sequence body)])
 255                                        (lambda (env)
 256                                          (make-procedure parameters bproc env)))]
 257     [`(begin ,exp ...) (analyze-sequence exp)]
 258     [`(cond ,clauses ...) (analyze (cond->if clauses))]
 259     [`(let ,(? (lambda (x) (or (pair? x) (empty? x))) bindings) ,body ..1) (analyze (let->combination exp))]
 260     [`(let ,(? symbol? name) ,bindings ,body ..1) (analyze (named-let->combination exp))]
 261     [`(let* ,bindings ,body ..1) (analyze (let*->nested-lets exp))]
 262     [`(letrec ,bindings ,body ..1) (analyze (letrec->combination exp))]
 263     [(list f x ...) (let ([fproc (analyze f)]
 264                           [aprocs (map analyze x)])
 265                       (lambda (env)
 266                         (execute-application (fproc env)
 267                                              (map (lambda (proc)
 268                                                     (proc env))
 269                                                   aprocs))))]
 270     [_ (error "unable to evaluate expression -- EVAL " exp)]))
 271
 272 ;; eval
 273 (define (eval exp env)
 274   ((analyze exp) env))
 275
 276 (define (interpret)
 277   (let loop ([input (read)]
 278              [env the-global-environment])
 279     (let ([output (eval input env)])
 280       (display output)
 281       (loop (read) env))))
 282
 283 (define (t expr)
 284   (let ([t1 (current-inexact-milliseconds)])
 285     (eval expr the-global-environment)
 286     (displayln (- (current-inexact-milliseconds) t1))))