LISPの特徴とLISPの子供達 2023

はじめのLISP

Lisp（LISt Processingの略）は、現在でも使われている最も古い高級プログラミング言語の1つである。1950年代後半にJohn McCarthyによって発明され、以来、人工知能、コンピュータサイエンスの研究、商用ソフトウェア開発など幅広い分野で利用されている。

LISPの特徴

コードとデータの両方を表現できる

Lispは基本的なデータ構造としてリストを用いている。

Lispではリストは括弧を使って表現され、コードとデータの両方を表現することができるので、他のプログラムを操作するプログラムや、データ構造の変化に対応できるデータ駆動型のプログラムを書くことができる。

関数型プログラミング

Lispは関数を第一級のオブジェクトとして扱い、他の関数への引数として渡したり、値として返したり、データ構造に格納したりすることができる。このため、高階関数を簡単に書くことができ、関数型プログラミングのデザインパターンを実装することがでる。

マクロ

マクロはコンパイル時にコードを変換する関数のこと。

また、マクロを用いて新しい構文を定義することができる。これにより、言語の拡張や、特定の種類のアプリケーションに特化したドメインに忠実な言語の作成が可能になる。

動的型付け

Lispは動的型付け（変数の型が実行時に決定される）である。

このため、柔軟で適応性の高いコードを書きやすい反面、型の誤りを確実に検出するためのテストとデバッグが必要となる。

ガベージコレクション

Lispでは、不要になったメモリを自動的に解放するガベージコレクションによる自動的なメモリ管理が行われている。

インタラクティブな開発

Lispはインタラクティブな開発環境を備えており、リアルタイムにコードを編集、評価することができる。このため、新しいアイデアの実験や、プログラムの迅速な開発・テストが容易に行えると言える。

S式

S式（”Symbolic Expression “の略）は、LispおよびLispから派生した他のプログラミング言語における基本的な構文要素である。記号と値のリストに基づくシンプルで柔軟な記法でコードやデータを表現する方法である。

S式では、各式は括弧で囲まれ、演算子（通常は関数または特殊な形式）の後に1つ以上のオペランド（シンボル、値、他のS式でも可）が続く構成になっている。

たとえば、次の S 式は数値 7 と評価される。

(+ 2 5)

この式では、「+」記号が演算子で、数字の 2 と 5 がオペランド。

S式は入れ子にすることができ、より単純な式から複雑な式を構築することができる。

たとえば、次の S 式は、数値の階乗を計算する関数を定義している。

(defun factorial (n)
  (if (<= n 1)
      1
      (* n (factorial (- n 1)))))

この式では、”defun”という特殊形式で、単一の引数 “n “を取る “factorial “という名前の新しい関数を定義している。

関数本体は別のS式で、「if」特殊形式を使って「n」が1以下であるかどうかをチェックし、1であれば値を返し、そうでなければ「n」に「n – 1」で再帰的に「factorial」関数を呼び出した結果を乗じるというものである。

LISPの子供達

基本的にはLISPの特徴を受け継ぐという点は変わらない。

S式であること、マクロが使えること、関数型プログラミングのサポート具合、GC、動的型付けといった点は基本的に変わらない模様。

ここでは、Scheme、Gauche、Clojureについて扱う。

Schemeについて

Schemeは、Lisp系に属する汎用プログラミング言語である。Lispの方言で、シンプルで洗練された構文、少数の強力な機能、関数型プログラミングに重点を置いている。

Schemeは、1970年代にマサチューセッツ工科大学(MIT)のGerald Jay SussmanとGuy L. Steele Jr.によって、Lispの方言として初めて発表された。大規模なソフトウェアシステムを構築するための強固な基盤を持ちながら、迅速なプロトタイピングと実験を可能にする、明快で最小限の言語として設計された。

最小限の構文

Schemeは、括弧と前置記法を基本とする非常にシンプルで統一された構文を持っている。このため、Schemeコードの読み書きが容易であり、また、言語自体で新しい構文を定義することも可能である。

強力なマクロシステム

Schemeは強力なマクロシステムを備えており、プログラマはコンパイル時に新しい構文構造を定義し、プログラムの構文を操作することができる。これにより、ドメインスペシフィックな言語を作成したり、高度なコード変換を実装することができる。

第一級関数

Schemeは関数を一流のオブジェクトとして扱い、他の関数への引数として渡したり、値として返したり、データ構造に格納したりすることができる。このため、高階の関数を簡単に書くことができ、関数型プログラミングを実現することができる。

テールコール最適化

Schemeはテールコール最適化をサポートしており、再帰的な関数をスタック領域を消費せずに効率的に実行することができる。これにより、スタックオーバーフローエラーを気にすることなく、再帰を用いた反復処理アルゴリズムを記述することができる。

動的型付け

Schemeは動的型付けを採用しており、変数の型は実行時に決定される。このため、柔軟で適応性の高いコードを書くことができる反面、型エラーを確実に検出するためのテストやデバッグを慎重に行う必要がある。

Schemeは、プログラミングの概念を教える学術的な分野だけでなく、ソフトウェア・アプリケーションを開発する産業界でも広く利用されている。Schemeには、GNU Guile、MIT/GNU Scheme、Chicken Schemeなどの有名な実装がある。

Racketについて

RacketはSchemeの方言で、もともとは1990年代にNortheastern大学で教育用言語として開発されたものである。それ以来、全機能を備えたプログラミング言語および開発環境として進化し、産業界や学術界、研究機関などで広く利用されている。

Racketは、Schemeの上に構築され、以下のようないくつかの機能が追加されている。

ライブラリ

グラフィックス、ウェブ開発、データ処理など様々な分野のアプリケーションを構築するための豊富なモジュールとパッケージのライブラリ。

マクロ

構文的マクロと手続き的マクロの両方をサポートし、高度なコード変換を可能にする強力なマクロシステム。

パラダイム

関数型プログラミング、オブジェクト指向プログラミング、論理型プログラミングなど、複数のプログラミングパラダイムをサポート。

ツール

コードエディター、デバッガー、プロファイラー、その他Racketプログラムの作成とデバッグのためのツールを含む統合開発環境(IDE)。

静的型付け

Racket には、Racket プログラムに静的型付けを追加する Typed Racket や、Racket の中でユーザーが独自のドメイン固有の言語を定義できる #lang など、いくつかの言語拡張やバリエーションも含まれている。

全体として、Racketは強力で柔軟なプログラミング言語であり、Schemeの長所を生かしながら、実用的なアプリケーションを構築するための新しい機能やツールも数多く追加されている。

Gaucheについて

Gaucheはプログラミング言語Schemeの別の処理系である。1990年代後半にShiro Kawai氏によって開発された、高性能で移植性の高いScheme処理系で、特にマルチスレッドとネットワークに重点を置いている。

Schemeの別の処理系

Scheme言語仕様の全機能をサポート(標準機能、オプション機能を含む)

マルチスレッディングシステム

単一プロセッサ上で複数のスレッドを同時に実行できる軽量で効率的なマルチスレッディングシステム。

モジュールシステム

動的リンクと静的リンクをサポートし、プロジェクト間でのコードの再利用を容易にする、拡張可能なモジュールシステム。

ライブラリ

ファイルI/O、正規表現、ネットワークなどの一般的なタスクのための包括的な組み込みライブラリのセット。

外部関数インタフェース

Gauche のコードが C や Python などの他の言語で書かれたコードと相互作用することを可能にする外部関数インタフェース (FFI) 。

ガベージコレクタ

メモリの割り当てと解放を自動的に管理する高度なガベージコレクタ。

ツール

デバッガ、プロファイラ、メモリリーク検出器を含む、Gauche プログラムのデバッグとプロファイリングのための様々なツール。

全体として、Gaucheは性能と実用性に重点を置いた、堅牢で強力なScheme言語の処理系である。産業界や研究機関などで広く利用されており、特にネットワークやマルチスレッドに対応したアプリケーションの開発に適している。

Clojureについて

Clojureは、Java Virtual Machine（JVM）上で動作するLispの現代的な方言で、堅牢でスケーラブルなソフトウェアシステムの構築のために設計されている。

従来の企業向けソフトウェア開発の複雑さに対応し、JVMの性能と信頼性を活用できる、よりシンプルでエレガントな言語を提供することを目的に、2007年にRich Hickeyによって作成された。

シンプルで表現力豊かな構文

Clojureの構文はLispのS式に基づいており、コードとデータを表現するためのシンプルで強力な方法を提供します。また、Clojureには便利な省略記法や特殊な形式が多数用意されており、複雑なアイデアを簡潔かつエレガントに表現することができる。

関数型プログラミング

Clojureは関数型プログラミング言語である。つまり、純粋な関数と不変のデータ構造の使用に重点を置き、副作用を回避し、コードをより構成的でテストしやすいものにします。

並行処理と並列処理

Clojureは、エージェント、先物、ソフトウェアトランザクションメモリ（STM）などの機能により、並行処理と並列処理をサポートし、マルチコアプロセッサで効率的に実行できるコードを簡単に記述できる。

Javaとの相互運用性

Clojureは、Javaのライブラリやフレームワークとシームレスに相互運用できるため、開発者は既存のJavaコードやツールの広大なエコシステムを活用することができる。

マクロ

Clojureのマクロシステムは、最も強力な機能の1つであり、開発者は新しい構文を定義し、柔軟でコンポーザブルな方法で言語を拡張することができる。

Clojureは近年、特にビッグデータ処理の分野で人気を博しており、Apache StormやApache Kafkaなどのプロジェクトで使用されている。また、Web開発、ゲーム開発、科学計算など、他のさまざまな領域でも使用されている。