さっそくプログラミング
●最初は Hello, World
いちばん最初は、Ｃ言語で超有名な "Hello, World" を表示するプログラムを作りましょう。xyzzy は Emacs 系エディタと同じく、起動時から存在する *scratch* バッファで Lisp プログラムを入力し、CTRL キーと j キーを同時に押すと (C-j と記述する)、それを実行してくれます。では、さっそく次のプログラムを実行してください。
(format t "Hello, World\n") <== C-j を入力 Hello, World nil
Hello, World と nil が表示されました。左右のカッコ ( ) やダブルクォート " の数が合わないと、エラーになりますので注意してください。また、カッコの中の format と t は小文字で書いてください。空白は何個書いてもかまいませんが半角文字を使ってください。全角文字はいけません。
たとえば、最後に ) が余分についていると、「一致するカッコが見つかりません」というエラーダイアログが表示されます。簡単なプログラムですが、これでも立派な Lisp プログラムなのです。
●Lisp ではリストが主役
それでは、「Hello, World」と表示したプログラムを詳しく説明しましょう。
上図のように、左右のカッコ ( ) で括られたものをリスト (list) といいます。カッコは半角でなければいけません。Lisp は LISt Processor の略称ですから、リストがない Lisp は、なにやらのないコーヒーどころの話ではありません。リストは Lisp にはなくてはならないデータ構造なのです。
リストには 2 種類の役割があります。1 つはデータを貯めることです。リストの中に格納されたデータを 要素 といいます。このプログラムのリストの中には、空白で区切られた 3 つの要素 format, t, "Hello, World\n" があります。リストでないこれらの要素をアトム (atom) といいます。
リストは貨物列車にたとえるとわかりやすいでしょう。Lisp では、車両に相当するものをコンスセル (cons cell) といいます。貨物列車には多数の車両が接続されて運行されるように、リストは複数のコンスセルを接続して構成されます。1 つのコンスセルには、貨物（データ）を格納する CAR（カー）という場所と、連結器に相当する CDR（クダー） という場所があります。
上図では、コンスセルを箱で表しています。左側の CAR がデータを格納する場所で、CDR が次のコンスセルと連結しています。この例では、3 つのコンスセルが接続されています。それから、最後尾のコンスセルの CDR には、リストの終わりを示すデータが格納されます。このデータについてはあとで説明します。
もうひとつは関数 (function) を呼び出す機能です。Lisp はリストが入力されると、第 1 要素を関数名、残りの要素をその関数に与える引数であると判断します。この例では format が関数で、t と "Hello, World\n" が引数となります。
関数は必ず実行結果を返します。最初の例では、nil が関数 format の返り値です。Hello, World は format の働きで画面へ出力されたデータで、関数の返り値ではありません。つまり、format はデータを出力する関数なのです。
違う例を見てみましょう。単純な足し算を考えます。
(+ 1 2 3) => 6
+ は足し算を行う関数です。引数には数値が与えられます。数値データもアトムです。整数のほかにも、xyzzy Lisp では浮動小数点数、多倍長整数、分数などを計算することができます。また、引数の数は 3 つと決まっているわけではなく、+ は複数の引数を受け取ることができます。
それでは、引数に数値以外のデータが与えられたらどうなるのでしょう。次の例を見てください。
(+ (* 1 2) (- 3 4)) => 1
引数がリストになっています。このように、Lisp ではリストの要素にリストを持つことができるのです。これを図に表すと、次のようになります。
このように、リストを入れ子にできることが Lisp の大きな特徴のひとつなのです。
もうひとつ大事なことがあります。それは、Lisp は関数を実行する前に、引数の値をチェックすることです。このとき、引数がリストであれば、そのリストをプログラムとして実行します。関数 + の第 1 引数はリストなので、Lisp はそのリストの第 1 要素を関数として実行しようとします。* は掛け算をする関数です。この結果は 2 になります。
次に第 2 引数を調べます。これもリストなので - を関数として実行します。これは引き算をする関数です。この結果は -1 になります。これで + に与える引数をすべてチェックしたので、最後に + を実行します。そして、その結果が 1 になるわけです。
Lisp は与えられたデータに対し、定められた規則を実行していくことで動作します。このことを評価するといいます。今まで述べたように、リストの場合は、その第 1 要素を関数として扱い、関数を呼び出す前にその引数を評価する、という規則なのです。
数値アトムの場合も規則があります。それは、評価されると自分自身を返す、というものです。(+ 1 2 3) を評価する場合でも、+ を実行する前に引数が評価されますが、数値アトムなのでそのままの値が + に渡されるのです。
●シンボルは変数として機能する
最初のプログラムに戻りましょう。
(format t "Hello, World\n")
format が評価される前に、引数が必ず評価されます。第 1 引数の t はシンボル (symbol) というデータです。今まで説明しませんでしたが、format, +, *, - もシンボルです。シンボルには名前が付いているので、ほかのシンボルと区別することができます。
シンボルはデータを格納する変数としての役割と、関数定義を格納する役割を持っています。もうひとつ属性リストというデータを格納できますが、あとで説明することにします。
Lisp はシンボルを評価すると、そこに格納されているデータを返します。ただし、リストの第 1 要素である場合は関数定義を取り出して実行します。format はリストの第 1 要素ですから、関数定義が取り出されて実行されたわけです。それでは、format にはどのような値が入っているのでしょうか。Lisp にたずねてみましょう。次のようにシンボル名を打ち込めば、そのシンボルに格納されているデータを求めることができます。
format => エラー「変数が定義されていません」
エラーになりました。データをセットする操作をしない限り、シンボルにはデータが入っていないのです。データをセットするには setf または setq という関数を使います。Common Lisp では setf を使うことが推奨されていますが、M.Hiroi は古い人間なので setq を好んで使っています。皆さんは setf を使ってくださいね。
それでは、a というシンボルに数値を代入してみましょう。
a => エラー (setq a 10) => 10 a => 10
a というシンボルに 10 が代入されました。ここで「おかしいな？」と思われたことでしょう。setq が評価される前に、引数であるシンボル a を評価するので、エラーになるはずです。
実は、setq は引数を評価しないで受け取る関数なのです。Common Lisp の場合、引数を評価しないで受け取る関数には、特殊形式 (special form) とマクロ (macro) があります。特殊形式やマクロは、プログラムの制御などを行う場合に使われます。setq は第 1 引数を評価せずにそのまま受け取り、第 2 引数を評価した結果をシンボルに代入します。たとえば、第 2 引数にリストを書けば、その実行結果がシンボルに代入されます。
(setq a (+ 1 2 3)) => 6 a => 6 (setq b a) => 6 b => 6
2 番目の例のように、第 2 引数がシンボルであれば、そこに格納されている値が第 1 引数のシンボルに代入されます。
それでは、t というシンボルはどうでしょう。setq を使って値をセットしていないのでエラーが出そうですが、プログラムは正常に動作しました。ある特定のシンボルには、あからじめデータがセットされています。t というシンボルもそのひとつです。では、値に何が入っているか確認してみましょう。
t => t
自分自身が返ってきました。t というシンボルは条件判断で真を意味するシンボルです。反対に偽を意味するシンボルが nil です。nil の値には、nil が最初から定義されています。実際に真偽を判定する場合、Lisp では nil 以外のデータを真、nil を偽と判定します。
nil にはもうひとつ意味があります。次のように打ち込んでください。
() => nil
( ) は中身の無いリスト、空リストのことです。nil は空リストの意味もあるのです。t や nil は Lisp にとって重要な役割を持つシンボルです。このようなシンボルは値を書き換えることができません。つまり、定数として扱われます。
(setq t 10) => エラー「定数は変更できません」
次に第 2 引数 "Hello, World\n" を見ましょう。" で括られたデータを文字列 (string) といいます。文字列もアトムで、評価されるとそれ自身を返します。
"Hello, World\n" => "Hello, World <= 改行される "
\n は改行を意味します。\ をエスケープ文字といいます。\n のほかには \t がタブを表します。
これで format に渡される引数が評価されました。format は第 1 引数が t の場合、標準出力へデータを出力します。第 2 引数には書式を表した文字列を与え、それにしたがってデータを変換します。この場合は、文字列の内容を出力するだけです。
●評価しちゃだめヨ
Lisp の変数は、どのようなデータでも格納することができます。ほかのプログラミング言語では、変数に格納するデータの種類をあらかじめ決めておかなければいけません。たとえば、Ｃ言語や Java では、変数 a に整数値を格納する場合は int a というように、a に格納するデータの種類を決めます。そして、a には整数値以外のデータを格納することはできません。
Lisp の場合、変数 a には整数値、文字列、シンボル、リストなど Lisp で扱うことができるデータであれば何でも格納することができます。ところで、整数値は setq で変数に代入できましたが、シンボルやリストを変数に代入できるのでしょうか。setq の第 2 引数は評価されることを思い出してください。
(setq x 10) => 10 (setq y x) <== 引数 x が評価され 10 が y に代入される => 10
変数 y にシンボル x を代入する場合、setq にそのまま x を与えると、x が評価されてその値が y に代入されてしまいます。リストの場合は、それがプログラムとして実行されるので、リスト自身を変数に代入することはできません。シンボルやリストを変数に代入するときは、引数が評価されては困るのです。そのため、引数を評価しないようにする関数が用意されています。
(setq y 'x) => x (setq y '(1 2 3 4)) => (1 2 3 4)
引用符 ' を付けると、その次のシンボルやリストは評価されません。引用符は関数 quote の省略形で、'x は (quote x) と同じ働きをします。quote は特殊形式で、引数を評価せずにそのまま返します。したがって、(setq y 'x) の場合、(quote x) が評価されて x 自身が返り値となるので、シンボル x に格納されている値が取り出されるのではなく、x が関数 setq に渡されるのです。その結果、変数 y にシンボル x を代入することができます。
同様に、リストの場合も引用符を付けることで、変数に代入することができます。この場合、リストは評価されない、つまり、プログラムとして実行されないので、最初の要素が関数である必要はありません。'(1 2 3 4) は (quote (1 2 3 4)) に変換され、それが評価されて (1 2 3 4) というリスト自身が関数 setq に渡されるのです。この場合、リストはプログラムではなくデータとして扱われることになります。リストにプログラムとデータというふたつの役割を持たせていることが、ほかの言語とは最も異なる Lisp の特徴なのです。
普通の関数は引数を必ず評価するので、リストやシンボル自身をデータとして扱うために quote 関数を頻繁に使うことになります。(quote (1 2 3 4)) と書いていては面倒だし、プログラムが読みにくくなってしまいます。そこで、'(1 2 3 4) のような省略形が使われるようになりました。
●まとめ
ここで、ここまで出てきた Lisp のデータについて整理しましょう。アトムとリストを合わせてＳ式またはフォームといいます。データの関係をまとめると次のようになります。
今まで使ってきたデータの種類には、リスト、整数値、文字列、シンボルがあります。データの種類を型といいます。このほかにも、配列型データや文字型データなど重要なデータ型がいくつかあります。
Lisp はＳ式を評価することで動作しますが、その評価規則はデータ型によって決められています。
- リスト
リストの先頭の要素を関数とし、そこに定義されている処理を実行し、その結果を返す。ほかの要素は引数として関数に渡される。Lisp では、関数に引数を与えて呼び出すことを適用 (apply) という。 - シンボル
そのシンボルに格納されている値を返す。 - その他
自分自身を返す。
たとえば、(+ 1 2 3) を評価する場合、関数 + を評価する前に、引数の 1, 2, 3 を評価します。この場合、引数がリストやシンボルではないので、そのまま関数に渡されます。評価しても自分自身になるデータ型を自己評価フォームといいます。Lisp の場合、引数を評価する順番も決まっていて、左から右へ、つまりリストに並んだ順番で評価します。通常の関数では、引数は必ず評価されることを覚えておいて下さい。
ただし、特殊形式やマクロの場合は引数を評価しないことがあります。setq は引数を評価しませんでしたね。通常の関数は引数を評価するが、特殊形式やマクロは違うことに注意して下さい。
以上で Lisp の基本的な動作を説明しました。Lisp では、リストはプログラムとデータのふたつの役割を持っています。この特徴があるため、とても柔軟なプログラミングが可能になるのです。ですが、このままではまだ何もできませんね。Lisp には、あらかじめ用意されている便利な関数がたくさんあります。どのような関数があるか、具体的に見ていくことにしましょう。