同像性

在计算机编程中，同像性（homoiconicity来自希腊语单词，homo-意为相同，icon含义表像），是某些编程语言的特殊属性，这意味着用此语言书写的程序，可用使用这个语言将其作为数据来操纵，因此只要阅读程序自身，就能推论出来这个程序的内部表示。该属性经常被归结成，这个语言将“代码当作数据”。

简介

在同像性编程语言中，程序的主要表示方式，也是属于这个语言自身的原始类型的一种数据结构。这使得在这种语言中的元编程，比在没有这个属性的语言中要更加容易：在这种语言中的反射（在运行时检查程序的实体），取决于单一的、同质的结构，而且它不必去处理以复杂语法形式出现的其它一些结构。同像性语言典型的包括对语法宏的完全支持，这允许编程者以简明方式来表达程序变换。

Lisp编程语言，是具有同像属性的典型范例，它设计得易于进行列表操纵，而且其结构用具有嵌套列表形式的S-表达式来给出，它可以由其他LISP代码来操纵^[1]。这类语言的其他例子有Clojure（一种现代流行的LISP方言），Rebol和Refal（英语：Refal），以及最近的Julia等编程语言。

历史

同像性一词的原始来源，是论文《编译器语言的巨集指令扩展》^[2]。其依据是早期具影响力的论文《TRAC（英语：TRAC (programming language)）文本处理语言》^[3]：

TRAC的主要设计目标之一，是其输入脚本（用户所输入），应该同一于指示TRAC处理器内部动作的文本。换句话说，TRAC过程应该是以字串形式储存于记忆体中，正如同用户在键盘上键入的那样。如果TRAC过程本身演化出新的过程，这些新过程也应该在同一个脚本中陈述出来。TRAC处理器在其动作中，将此脚本解释为它的程序。换句话说，TRAC翻译器程序（处理器），将这个计算机有成效地转换为，具有新程序语言即TRAC语言的新计算机。在任何时候，程序或过程资讯都应当能够，以同于TRAC处理器在执行期间作用于其上的形式来显示出来。我们期望内部的字符代码表示，同一于或非常相似于，外部的代码表示。在当前的TRAC实作中，内部字符表示基于ASCII，因为TRAC过程和文本，在处理器内部和外部，都具有相同的表示，所以术语同像性（homoiconic）一词是适用的，homo涵义相同，icon义为表像。

[...]

跟从沃伦·麦卡洛克的提议，依据查尔斯·桑德斯·皮尔士的术语，参见道格拉斯·麦克罗伊的“编译器语言的巨集指令扩展”，ACM通讯，页214-220; 1960年4月。

艾伦·凯在他1969年的博士论文中，使用并可能由此推广了同像性这个术语^[4]：

所有先前的系统中，显著的一组例外是Interactive LISP[...]和TRAC。两者都是面向功能性的（一为列表，另一为字符串），都用一种语言与用户交谈，并且都具有 “同像性”，因为它们内部和外部表示本质上相同。它们都具有动态创建新函数的能力，然后可随着用户的喜好而精工细作。它们唯一最大的缺点是，以它们写出的程序看起来就像，苏美尔人把布尔那·布里亚什国王的信写成巴比伦楔形文！[...]

用途及优点

同像性的一个优点是，向这个语言扩展新概念变得更加简单，因为表示代码的资料，可在程序的元层和基础层之间传递。函数的抽象语法树，可以作为元层中的数据结构来合成和操纵，然后再被求值。它可以更容易理解如何操纵代码，因为它可以被理解为简单的资料（因为语言本身的格式同于资料格式）。

同像性的典型演示是元循环求值器。

实作方法

所有范纽曼型架构的系统，其中包括绝大多数当今的通用计算机，由于原始机器代码在记忆体中的执行方式，其资料类型是字节，故而可以隐含地描述为具有同像性。但是这个特征也可以在编程语言层别上抽象出来。

Lisp及其方言例如Scheme，Clojure，Racket等，使用S-表达式来实现同像性。

其他被认为具有同像性的语言包括：

• Curl^[5]
• Elixir^[6]
• Io^[5]
• Julia^[7][8][5]
• Prolog^[5][9]
• R^[10][11]
• Rebol^[5]
• Red（英语：Red (programming language)）
• SNOBOL^[5]
• Tcl^[12][5]
• XSLT^[13]
• Refal（英语：Refal）^[5]
• Rexx
• Wolfram语言^[14][15]

同像性语言的编程范例

Lisp

Lisp使用S-表达式作为资料和源码的外部表示。S-表达式可以用原始Lisp函数READ读取。READ返回Lisp资料：列表、符号、数字和字串。原始Lisp函数EVAL使用以资料形式表示的Lisp代码，计算副作用并得出返回结果。结果由原始Lisp函数PRINT打印出来，它从Lisp资料产生一个外部的S-表达式。下面示例采用Common Lisp的SBCL实现。

以下Lisp示例，构造出的列表含有结构类型person：它有两个属性name和age，其类型分别是字符串和整数：

* (defstruct person name age)
PERSON

* (person-name (cadr (list (make-person :name "john" :age 20) (make-person :name "mary" :age 18) (make-person :name "alice" :age 22))))
"mary"

以下Lisp代码示例，使用了列表、符号和数值：

* (* (sin 1.1) (cos 2.03))      ; 中綴表示法為 sin(1.1)*cos(2.03)
-0.39501375

使用原始Lisp函数LIST产生上面的表达式，并将变量EXPRESSION设置为结果：

* (defvar expression)
EXPRESSION

* (setf expression  (list '* (list 'sin 1.1) (list 'cos 2.03)) )  
(* (SIN 1.1) (COS 2.03))
; Lisp傳回並打印結果

* (third expression)    ; 表達式中的第三項
(COS 2.03)

将COS这项变更为SIN：

* (setf (first (third expression)) 'SIN)
SIN
; 變更之後的表達式為 (* (SIN 1.1) (SIN 2.03)).

求值表达式：

* (eval expression)
0.79888344

将表达式打印到字串：

* (princ-to-string expression)
"(* (SIN 1.1) (SIN 2.03))"

从字串中读取表达式：

* (read-from-string "(* (SIN 1.1) (SIN 2.03))")
(* (SIN 1.1) (SIN 2.03))
24
; 傳回一個其中有列表，數字和符號的列表

Prolog

Prolog是同像性语言并且提供了很多反射设施。

1 ?- X is 2*5.
X = 10.

2 ?- L = (X is 2*5), write_canonical(L).
is(_, *(2, 5))
L = (X is 2*5).

3 ?- L = (ten(X):-(X is 2*5)), write_canonical(L).
:-(ten(A), is(A, *(2, 5)))
L = (ten(X):-X is 2*5).

4 ?- L = (ten(X):-(X is 2*5)), assert(L).
L = (ten(X):-X is 2*5).

5 ?- ten(X).
X = 10.

6 ?-

在第4行建立一个新子句。算符:-分隔一个子句的头部和主体。通过assert/1将它增加到现存的子句中，即增加它到“数据库”，这样我们可以以后调用它。在其他语言中可以称为“在运行时间建立一个函数”。还可以使用abolish/1或retract/1从数据库中移除子句。注意在子句名字后的数，是它可以接受的实际参数的数目，它也叫做元数。

我们可以查询数据库来得到一个子句的主体：

7 ?- clause(ten(X),Y).
Y = (X is 2*5).

8 ?- clause(ten(X),Y), Y = (X is Z).
Y = (X is 2*5),
Z = 2*5.

9 ?- clause(ten(X),Y), call(Y).
X = 10,
Y = (10 is 2*5).

call类似于Lisp的eval函数。

Rebol

Rebol可巧妙的演示将代码当作数据来操纵和求值的概念。Rebol不像Lisp，不要求用圆括号来分隔表达式。下面是Rebol代码的例子，注意>>表示解释器提示符，出于可读性而在某些元素之间增加了空格：

>> repeat i 3 [ print [ i "hello" ] ]
1 hello
2 hello
3 hello

在Rebol中repeat事实上是内建函数而非语言构造或关键字。通过将代码包围在方括号中，解释器不求值它，而是将它当作包含字的块：

[ repeat i 3 [ print [ i "hello" ] ] ]

这个块有类型block!，并且使用近乎赋值的语法，可以进一步的将它指定为一个字的值，这种语法实际上可以被解释器理解为特殊类型set-word!，并采用一个字跟随一个冒号的形式：

>> block1: [ repeat i 3 [ print [ i "hello" ] ] ] ;; 将这个块的值赋值给字`block1`
== [repeat i 3 [print [i "hello"]]]
>> type? block1 ;; 求值字`block1`的类型
== block!

这个块仍可以使用Rebol中提供的do函数来解释，它类似于Lisp中的eval。有可能审查块的元素并变更它们的值，从而改变要求值代码的行为：

>> block1/3 ;; 这个块的第三个元素
== 3
>> block1/3: 5 ;; 设置第三个元素的值为5
== 5
>> probe block1 ;; 展示变更了的块
== [repeat i 5 [print [i "hello"]]]
>> do block1 ;; 求值这个块
1 hello
2 hello
3 hello
4 hello
5 hello

另见

• 标记法的认知维度，编程语言语法的设计原理。
• 串接编程语言。
• 面向语言编程。
• 符号式编程。
• 自修改代码。
• LISP，同像性语言的可能最周知的例子。
• 元编程，对同像性非常有用的编程技术。
• 实化。