B.2 作为DSL载体的Lisp

元编程和代码生成可以造就出色的DSL设计，这一点我们已经在第2.3节有过详细的叙述。用户所期待的出色的DSL设计，除了表面语法紧凑外，还要具备充分的领域词汇表达能力。这就要求宿主语言必须具备充足的程序转换语义，这种转换可在编译层面进行，也可在运行时层面进行。

我们从2.3.1小节得知，Groovy等语言利用运行时MOP生成代码，并通过诸如方法合成、方法拦截等元对象操纵手段改变程序的行为。但运行时元编程确实存在性能方面的弊病，因为变换涉及的程序结构需要通过元对象的反射和内省来实施操纵。

Lisp等语言通过语法宏来提供编译时元编程能力，这是第B.1节刚刚讨论过的。正是由于语法宏的功劳，Lisp运行时完全摆脱一切元结构，执行Lisp程序时只需考虑核心语言运行时中定义的有效Lisp语法成分即可。这个特点使得Lisp元编程独树一帜，也使得语法宏成为实现Lisp DSL的根本。本节我们将更进一步剖析Lisp程序的构造，以图理解Lisp在实现DSL的方法上与其他语言的区别。

B.2.1 Lisp的特殊之处

是什么原因令Java、C++这类语言难以实施编译时元编程？要想有效率地编译时元编程，我们需要在程序的AST上执行各种变换操作。下面的内容大致说明了抽象语法树和具体语法树的含义。

在大多数语言里，我们编写的程序都会被表示成一棵CST（concrete syntax tree，具体语法树）。CST真实地反映程序内容，包括代码中的空白、注释以及编写中产生的一切元信息。然后，程序依次经过扫描器、词法分析器、语法分析器的处理，生成所谓的AST（abstract syntax tree，抽象语法树）。AST代表了经过一系列编译阶段，从程序代码中提取出来的、具有语法意义的实质部分。从CST到AST一般要经历变换、优化、代码生成等步骤，所有这些变换操作都主要由语言的语法分析器负责实施，变换的结果是产生AST。

大多数语言如Java或C++都用字符串来表示程序，从CST产生AST的唯一方法是通过语法分析器，而语法分析器只能分析有效的语法成分。语法分析器不是一个独立的模块，在程序的预编译阶段并没有语法分析器可供使用。（这个说法并不完全准确。现在有的语言，如第9章简略提到的Template Haskell和MetaOCaml，已经实现了基于语法宏的编译时元编程。）于是，在语法分析器缺席的情况下，这些语言如果要处理程序中的新语法或者进行预编译时的程序变换，就只能通过以下几种原始的手段：

• 像C语言那样，依靠一个预编译器来进行文本替换式的宏展开；
• 通过（Java）标注或者（C++）模板在预编译阶段选择性地做一些预处理；
• 像AspectJ在Java语言下进行AOP那样，在字节码中间插入另外的指令。

有C语言背景的读者，很可能体会过使用文本替换式的宏所带来的混乱、痛苦和小心翼翼。C语言宏的窘迫恰恰反衬出Lisp宏的高明。语法的扩展性从一开始就是Lisp的设计目标，而且相关的支持设施也已经贯穿语言的整个设计过程。当Lisp之父John McCarthy决定这种语言要能够访问其自身的抽象语法时，就注定它会成为现在的样子。

到目前为止，本篇基本都在谈论宏。它操纵AST，将新的语法转换成基本的Lisp成分。宏之所以能够成为Lisp的扩展性来源，归根结底，还是在于Lisp语言本身的设计。独特的设计哲学塑造了Lisp这种与Java和C++截然不同的语言，下文将略述其中几点。

B.2.2 代码等同于数据

在Lisp语言里，所有的程序都是一个列表结构，同时这个列表结构也是代码本身的AST。这条规则导致程序代码与数据的具有完全相同的表达形式和语法。如果再推而广之，让语言的抽象语法也遵守这条简单的设计规则，那么我们就可以像访问代码和数据一样访问抽象语法，而显然这抽象语法也是一个极为简单的列表。我们用Lisp制造的任何元程序都只要遵守这种简单的、统一的表达形式即可。

B.2.3 数据等同于代码

我们可以通过Lisp的特殊成分quote，毫不费力地在表示代码的语言构造中嵌入表示数据的构造。Lisp宏即为这种用法思路的代表例子。实际上，Lisp将它数据等同于代码的范式做了进一步的拓展，形成一种可用于编写元程序的完善的模板机制。这种机制在Common Lisp语言中称为拟引用（quasiquotation）。Clojure语言也具备同样的特性，由语法引用（syntax quote）、解引用（unquote）和接合解引用（splicing unquote）几部分构成。我们可以看下面的例子，这是Clojure语言中defstruct宏的定义：

(defmacro defstruct
 [name & keys]
 `(def ~name (create-struct ~@keys)))

语法引用由反引号（` ）表示，其作用是指示Lisp将紧跟在反引号之后成分视为数据，效果与一般的引用相同。但是我们可以在被施加语法引用的成分内部，用解引用符号（~）指示Lisp停止对指定成分的引用，并对该成分求值。Common Lisp语言的拟引用也具有类似的作用，我们可以用它来定义数据模板，其中一部分数据是固定的，而另一些数据则是计算得出的。这一套语言特性几乎相当于在Lisp的语法里内嵌一种完整的模板子语言。

第5章详细介绍了元编程的实践，并对Lisp这种对代码和数据一视同仁的特性进行了深入探讨。如果你还没有习惯Lisp的各种编程范式，那么现在可以停下来，好好想象一下这种特性会给代码生成带来怎样的精彩和活力。

B.2.4 简单到只分析列表结构的语法分析器

Lisp是一种语法极其精简的语言。Lisp的语法分析器之所以如此简单，是因为它需要分析的就只有列表而已！无论是数据还是代码，其表达的语法都是统一的列表结构。甚至我们所关心的Lisp宏，其宏体部分也是一个列表结构。

具备强大编译时元编程能力的Lisp，是一种同像（homoiconic）的语言。这一点跟Lisp之所以具有卓越的DSL实现能力有关系吗？答案很简单：我们可以贯彻Lisp的“同像”哲学，把DSL也表达成一个列表结构，并且用宏来组织DSL中出现的重复性的构造和模式。这样设计出来的DSL不需要任何额外的语法分析器，可以将一切都交给Lisp本身的语法分析器去处理。宏可以帮助我们突破Lisp成分的形式限制，拓展出新的语法和语义，向领域用语靠拢。图B-4形象地说明了用Lisp语言作为DSL载体的基本思路。

定义　同像（homoiconic）这个煞有介事的术语，描述的是语言的一种性质。如果一种语言的程序，能够用它本身所能处理的一种数据结构来表示，我们就说这种语言是“同像”的，以Lisp为例，它用列表这种结构来统一地表示代码和数据。

图B-4　作为DSL载体的Lisp。Lisp宏被转换为有效的Lisp成分，然后送到编译器

你能够从图B-4中看出Lisp是怎样集外部DSL和内部DSL于一身的吗？一方面，DSL里面含有外部语法，也就是各种宏。宏不是有效的Lisp成分。另一方面，我们不需要使用任何外部的分析器去处理这些外部语法。列表结构串起了所有的环节，而且Lisp本身的语法分析器就是万能的DSL处理器。我们在此讨论的Lisp语言的众多特点几乎使它成为一种完美的DSL实现语言。

元编程是让我们通过编写程序来编写程序的一种技术。Lisp用它的编译时宏机制来实现元编程。第B.1节是对编译时元编程的全面综述，而本节则针对Lisp这种最早具备元编程能力的语言之一，讨论了该语言下的具体实现。只有对“元”的力量有了透彻的理解，我们才能在现实的DSL实现中得心应手地运用这种范式，并领略其中的妙处。第4章和第5章准备了大量动态语言的的编译时和运行时元编程例子，所用语言包括Ruby、Groovy和Clojure。