Scheme je multiparadigmatický programovací jazyk. Funkcionální programovací paradigma patří mezi tzv. funkcionální paradigmata. Scheme je jeden ze dvou hlavních dialektů funkcionálního programovacího jazyka Lisp. Jazyk navrhli Guy Lewis Steele a Gerald Jay Sussman a jeho první popis byl sepsán v roce 1975. Scheme byl představen akademickému světu skrze sérii článků, nyní známých jako Sussmanovy a Steelovy Lambda Papers. Jazyk Scheme definují dva standardy: oficiální IEEE standard a standard nazývaný Revisedn Report on the Algorithmic Language Scheme, ve zkratce RnRS, kde n je číslo revize. Současný standard je R5RSR5RS, a R6RSR6RS je ve vývoji.
Oproti Lispu se Scheme snaží o minimalismus – poskytovat co nejmenší počet základních funkcí, na nichž jsou pak v knihovnách postaveny složitější konstrukce. Díky tomu má dosud poslední reference jazyka jen 50 stran.
Scheme byl prvním dialektem Lispu, který nabízel volbu mezi lexikálním nebo dynamickým rozsahem platnosti proměnné. Také byl jedním z programovacích jazyků, který podporoval „continuation první kategorie“.
Tento jazyk je v praxi používaný jen zřídka, používá se především ve školách pro výuku programování algoritmů. Nejznámější implementací je grafický editor GIMP, jehož dodatečné zásuvné moduly a skripty jsou psány v dialektu jazyka Scheme.
Původ Na počátku zrodu jazyka Scheme stála potřeba Guye Steela a Geralda Sussmana z MIT (Massachusettský technický institut), vyzkoušet si některé aspekty modelu aktorů, který v roce 1973 veřejnosti představil Carl Hewitt. Protože LISP se k tomuto příliš nehodil, bylo potřeba navrhnout nový jazyk. Ten byl nakonec implementován v LISPu. A dokonce i syntaxí LISP hodně připomínal. Byl však o dost jednodušší, a odstraňoval některé z nepříjemných vlastností LISPu.
"Chceme lépe porozumět Hewittovu Aktor modelu, ale máme problémy vztáhnout aktor model a jeho neobvyklou terminologii známých programových notací. Plánovali jsme zkonstruovat ukázkovou implementaci aktor jazyka tak, abychom si s ní mohli hrát. Použitím MacLisp, jakožto pracovního prostředí, jsme napsali tenký interpret Lispu a poté přidali mechanismus k vytváření aktorů a posílání zpráv.„
Poprvé byl jazyk Scheme veřejně popsán v roce 1975 v práci Sussmana a Steela “ Scheme: an interpreter for extended lambda calculus". V roce 1976 pak Sussman a Steele napsali dvě publikace "LAMBDA: The Ultimate Imperative" a "LAMBDA: The Ultimate Declarative", v nichž popsali, jak řešit běžné programové konstrukce.
V roce 1978 byl jazyk Scheme standardizován. Základem se stala "Revidovaná zpráva o Scheme" – dialektu LISPu. Tato zpráva popisovala vývoj jazyka, poté co byla MIT implementace rozšířena o podporu inovativního kompilátoru. Další zpráva, která byla nazvána "Revize revize reportu Scheme, neboli neobvyklý LISP" byla publikována v roce 1985. Tradice revizí revize revize se zachovala a dnes je již na světě poslední pátá revize z února roku 1998.
Původní název jazyka byl Schemer. Po vzoru dobových jazyků pro umělou inteligenci Planner a Conniver. Protože však autoři používali operační systém ITS, který limitoval délku souborů a adresářů šesti znaky, byly vždy soubory pro Schemer uloženy v adresáři Scheme. Z toho vzešel název Scheme, který tak nahradil Schemer.
Budoucnost
Nový standardizační proces začal na 2003 Scheme workshopu, s cílem vytvoření R6RS standardu v roce 2006. R6RS přinese standardní modulární systém; povolí dělit mezi jádrem jazyka a knihovnami. Koncept R6RS specifikace (žertovně pojmenovaný "R5.91RS") byl uvolněn k testování v říjnu 2006. Aktualizovaný koncept, R5.92RS, byl uvolněn 19. ledna 2007, a další, R5.93RS, 22. března 2007. Poslední koncept je R5.95RS a byl uvolněn 25. června 2007.
Ukázka kódu
Tradiční program hello world vypadá v jazyce Scheme třeba takto: (define (hello) (display "Ahoj svete!") (newline)) (hello)
Na prvním řádku začíná definice procedury hello, která vypíše text „Ahoj svete!“ a odřádkuje. Na čtvrtém řádku je pak tato procedura zavolána.
Příkaz define slouží také k definici proměnných: (define pi 3.14)
Následující příklad ukazuje definici funkce, která vypočítá faktoriál zadaného čísla: (define fact (lambda (n) (if (= n 0) 1 (* n (fact (- n 1))))))
Psaní konstrukce lambda může být zdlouhavé, a tak Scheme nabízí zkratku: (define (fact n) (if (= n 0) 1 (* n (fact (- n 1)))))
Funkci pak lze zavolat: (fact 4)
Na výstupu bychom dostali číslo 24. Výše uvedený příklad ukazuje několik zajímavých konstrukcí. Jednak je zřejmé, že v jazyce Scheme se používá prefixového zápisu: (+ 1 2) ; součet (- 5 3) ; rozdíl (* 4 5) ; součin (/ 9 3) ; podíl
(+ 1 3 7) ; není třeba se omezovat na dvě čísla
Druhou zajímavou věcí je podmínka if. Ta má tvar (if (výraz) true false), kde větev true se provede, je-li výraz pravdivý (není-li vyhodnocen jako #f), větev false v případě, že je výraz nepravdivý (#f; ekvivalentní části else v jiných jazycích).
Třetí zajímavou věcí je rekurzivní volání sebe sama na pátém řádku definice funkce. Funkci pro výpočet faktoriálu lze přepsat: (define (fact n) (let fact-iter ((n n) (result 1)) (if (= n 0) result (fact-iter (- n 1) (* n result)))))
V takovém to případě budou všechna rekurzivní volání koncově rekurzivní. Průběžné hodnoty nejsou ukládány na zásobník, ale jsou předávány jako argumenty rekurzivní funkce a interpret, může zahodit obsah zásobníku a znovu zavolat funkci. Tzn. že výpočet funkce probíhá v konstantním paměťovém prostoru. Standard jazyka Scheme R5RS, přesně definuje, kdy dojde ke koncovému volání. V ukázce kódu je také použitá konstrukce „pojmenovaný let“, která se používá na vytvoření rekurze v těle funkce, aniž bychom explicitně definovali funkci v globálním prostředí. To lze také za pomoci lambda výrazů: (define fact ((lambda (f) (f f)) (lambda (self) (lambda (n) (if (= n 0) 1 (* n ((self self) (- n 1))))))))
Elementy jazyka Komentáře
Každý komentář je uvozen středníkem (;) a je platný po celý zbytek řádku. Některé implementace dovolují zakomentovat více řádků, obalí-li se do #|…|#.
Identifikátory extrémně volná pravidla; mohou obsahovat: písmena a–z, A–Z ; číslice; znaky ? ! . + – / < = > : $ % ^ & _ ~ nesmí obsahovat závorky;
příklady: x3, prumerny-plat, Maximum, ?$*
Konvence pro identifikátory jména predikátů (vracejí pravdivostní hodnotu) končí otazníkem, např. number?; jména procedur s vedlejšími efekty (např. změna hodnoty nějaké proměnné) končí vykřičníkem, např. pridej-prvek!; procedury konvertující jeden typ na druhý bývají pojmenovány typ1->typ2.
Čísla celá: 160, +24, –78; racionální (zlomky): 1/2, –29/30; s plovoucí řádovou čárkou: 3.14, .33, –7.689e4; komplexní: 3+2i; nemá přísnou typovou kontrolu ani typované proměnné, výpočet může kombinovat několik typů.
Řetězce Řetězce jsou uzavřeny do dvojitých uvozovek: "ahoj světe".
Pravdivostní hodnoty true a false zapisovány jako #t a #f revidovaná specifikace umožňuje místo #f používat ve stejném významu i prázdný seznam ()
Dvojice
Základem jazyka Scheme jsou tečkové páry. Je to (jediná) složená datová struktura s konstruktorem cons a selektory car a cdr [kudr]. Tečkový pár může například reprezentovat 2D souřadnice, imaginární číslo, nebo české a cizí slovo ve slovníku.
> (define a (cons 1 2)) > a (1 . 2)
> (car a) 1
> (cdr a ) 2
Seznamy Seznamy jsou definovány rekurzivně pomocí dvojic. Každý seznam je definován jako posloupnost tečkových párů, přičemž poslední tečkový pár má na své druhé pozici prázdný seznam.
> (cons 1 (cons 2 (cons 3 ())))
(1 2 3)
Mohou obsahovat atomické hodnoty i další seznamy. Lze je vnořovat : ((1) (2 (3 4) 5 6) 7 ((8))). Všechny seznamy mají konečnou délku a jsou ukončeny prázdným seznamem.
prázdný seznam je reprezentován konstantami nil, () seznam s jedním prvkem: (cons 1 () ) neprázdný seznam je dvojice hlava (první prvek) a ocas (seznam zbylých prvků), anglicky head a tail uzavřen do závorek, prvky oddělovány mezerami: (a b c), (12 "šroubek" .8)
procedura list: konstrukce seznamu, s proměnným počtem argumentů. > (list 1 2 3) (1 2 3)
K přistupování k hodnotám v seznamu slouží funkce car a cdr. car – vrací první prvek v seznamu (hlavičku), seznam musí být nenulový; cdr – vrací zbytek seznamu (ocásek), pokud seznam obsahuje jediný prvek, vrací prázdný seznam; příklad: zisk třetího prvku seznamu: (car (cdr (cdr x))).
Procedury pro seznamy (list? x) je x seznam? (pair? x) je x pár? (null? x) je x prázdný seznam? (list operandy) vyhodnotí operandy a vytvoří seznam obsahující výsledky vyhodnocení (list 6 (* 3 5) 'a) vytvoří seznam (6 15 a) (length seznam) počet prvků seznamu (append seznam1 seznam2 seznam3 …) spojí seznamy do jednoho (reverse seznam) obrátí pořadí prvků v seznamu
Další ukázky práce se seznamy ;odstraneni prvniho vyskytu prvku ze seznamu (define (odstran-prvni p s) (cond ((null? s) '()) ((equal? p (car s)) (cdr s)) (else (cons (car s) (odstran-prvni p (cdr s))))))
;odstrani vsechny vyskyty prvku ze seznamu (define (odstran-vsechny p s) (cond ((null? s) '()) ((equal? p (car s)) (odstran-vsechny p (cdr s))) (else (cons (car s) (odstran-vsechny p (cdr s))))))
;; vrátí n-tý prvek ze seznamu ;; nehlídáme přitom, zda je index mimo seznam (define (nprvek index seznam) (if (= index 0) (car seznam) (nprvek (- index 1) (cdr seznam)))) (nprvek 4 '(jan ales marketa petr josef))
;; N-tý prvek pole včetně kontroly, zda nejsme mimo index ;; Reagovat můžeme jakkoliv -- vrátit specifickou chybu nebo třeba prázdný seznam. (define (nprvek index seznam) (if (>= index (length seznam)) (error "Index je mimo seznam") (let nprvek ((index index) (seznam seznam)) (if (= index 0) (car seznam) (nprvek (- index 1) (cdr seznam))))))
;spojeni seznamu - vzdy prvni prvek s prvnim (define (spoj-prvni s1 s2) (if (or (null? s1) (null? s2)) '() (cons (cons (car s1) (car s2)) (spoj-prvni (cdr s1) (cdr s2)))))
(odstran-prvni 'ivan '(jan ales libor tomas radek petr ivan ivan)) (odstran-vsechny 'ivan '(jan ales libor tomas radek petr ivan ivan ivan ivan)) (spoj-prvni '(milos ales petr jan alan) '(janicek novak kral novotny klaus havel))
;; Možná implementace funkce map beroucí pouze jeden seznam (define (my-easy-map funkce seznam) (if (null? seznam) '() (cons (funkce (car seznam)) (my-easy-map funkce (cdr seznam))))) (my-easy-map - '(1 2 3 4 5 6)) ; Vrátí: (-1 -2 -3 -4 -5 -6)
Proměnné dynamicky typované uvozeny výrazem define.
(define var1 value)
Výraz define modifikuje vazbu symbolu v aktuálním prostředí. Oproti tomu speciální forma let vytváří nové prostředí (scope) a v tomto prostředí navazuje na symboly nové vazby. let jako takový nedokáže přepsat již existující vazbu, vždy pouze vytváří nová prostředí. To je hlavní rozdíl oproti speciální formě define, který dokáže přepsat existující vazby.
(let ((var1 value)) ... ; scope of var1 ...)
Rozdíl mezi let a define můžeme zčásti ilustrovat na následujícím příkladu:
(let ((a 10)) (cons (let ((a 20)) (define a 30) a) a))
První let vytvoří své prostředí, ve kterém naváže na a hodnotu 10. Druhý let také vytvoří prostředí a naváže na a hodnotu 20. Pokud bychom nepoužili define, byl by výsledkem operace tečkový pár 20 . 10, protože sice existují dva symboly a, ale v jiných prostředí, kde mají vlastní vazbu. define ale modifikuje vazbu v aktuálním prostředí, takže ve vnořeném vnitřním letu změní vazbu symbolu a na třicet. Výsledkem operace tak bude tečkový pár 30 . 10.
let je pouze konvenční syntaxe, která není nezbytná a může být přímo nahrazena použitím procedury. Například kód výše je přímým ekvivalentem zápisu:
((lambda (var1) ... ; scope of var1 ...) value)
Procedury 1 (define fun (lambda (arg1 arg2) ...)) 2 (define (fun arg1 arg2) ...) 3 (fun value1 value2)