简介

2016-04-22 本文已影响0人 _火魂_

本章介绍一些Forth语言的独有特性，通过使用Forth终端熟悉这些引导描述。

1 构造具有丰富生命力语言的

想象你作为一个办公主任，雇佣了一个积极的新员工。

在他入职第一天，教会这个新员工各种文件相对应的打印格式，最后你只需要说打印这份文件，助手就会明白使用哪种打印格式

在入职第二天，介绍了备案系统。一早上的想写介绍备案流程后，到了下午只需要吩咐，将这个备案，助手会按照固定流程完成这份工作

到了周末，你们就可以使用短语进行工作交流，如"发送这个信件"，就是说"打印，签名，美化，备案，然后发送邮件"，这种交流方式带来了更为高效与愉悦的办公氛围

作为优秀而高效的的管理者通常我们使用如下方法

1 规定一些有意义的固定工作流程，并命名

2 然后将这些命名的工作流程再次组合到更大的工作流程中，并命名

Forth语言正是通过这种方式，实现工作流程的自定义，然后将这种工作流程交给电脑来处理。

作为一个例子，使用Forth编程实现一个洗衣机的控制程序。最终的命名了行时一个命名为WASHER的程序。下面就是WASHER程序的定义

: WASHER WASH SPIN RINSE SPIN;

Forth中，使用引号:作为一个过程定义的开始声明。
:后面的第一个单词 WASHER将作为过程的名称。
其余的单词， WASH SPIN RINSE SPIN等构成了过程定义的内部结构。
最后使用分号;作为过程定义的结束声明.

在WSHER中的每个内部单词在洗衣机应用中已定义的过程，列入RINSE过程的定义如下

: RINSE FAUETS OPEN　TILL-FULL FAUCETS CLOSE;

上面的定义中，我们对faucets关联了相关的动作(open close)。
而TILL-FULL是个循环语句，意思是打开水龙头动作一直持续到水桶满
整个过程就是打开水龙头直到装满水后关闭

在Forth系统中，我们查看这些过程定义会发现，每个Forth系统定义了一系列的有用的命名。例如完整ANS的Forth包含371个这样的命令扩展。大部分命令就是使用上面:定义的格式实现的。然后还有一些底层的过程定义实现为特定机器的机器操作语言。Forth中定义的命令称为word

使用一系列word定义一个高层word的能力叫做可扩展性。可扩展性称为一种编程风格实现的基础，这种编程具有简洁组织良好和足够的表达能力。

无论你的应用是作为一个汇编程序，还是作为科研数据研究，或者是一个商业项目，或者是一个游戏，都可以定义需要的word组织为具有独有的丰富生命力的语言

本书中我们会介绍大部分Forth的命令使用与定义实现

2 交互性

Forth一个特性是可以通过word的名称执行这个word的过程定义，可以通过在终端中输入word的名称，然后输入回车键。即可体验word的执行过程

当然，在过程的定义中也可以通过word的名称使用word的过程定义

Forth因此称为交互性性语言。

下面会简单举例说明简单命名组合为更为复杂功能的命名的实现。

1 打开终端输入 回车键
终端会响应输出 ok

回车键是通知Forth执行请求。ok表示Forth已经完成顺利完成相应的命令。当然上面的例子中，并没有包含任何需要执行的任务，因此Forth只是简单的返回ok。

2 终端输入 15 SPACES
输入过程中出现错误可以使用删除键backsapce。删除错误内容，然后输入正确的字母。直到正确完成所有的输入后，输入return，通知Forth执行任务请求

本书使用xx-key表示按键操作，其中return-key表示按回车键操作

完整的输入过程 15 SPACES return-key
终端距离输入命令15个空格输出 ok
上面的SPACESword表示光标移动一定个数，

3 终端输入 42 EMIT return-key
终端输出 * ok

42 EMIT 表示输出星号符号，这里使用的EMIT是一种字符转义操作

4 组合输入 15 SPACES 42 EMIT 42 EMIT
终端输出 ** ok
打印15个空格后输出两个星号。

通常我们使用空格分离具有明显意义的数字和word。这里的空格数量可以是任意的，不过至少需要一个空格来分离数字和word.

5 定义星号输出过程为START
: STAR 42 EMIT ; return-key
这样我们就可以使用STAR代替输入42 EMIT

通常在: ;的过程定义标志与过程体具有一定的空格。为了具有较好的阅读性，通常在过程名称与过程定义内容使用三个空格

完成上面的定义输入后，终端输出ok,表明过程定义完成，
再次输入START return-key
终端输出 * ok

Forth会按照定义的STAR打印星号

STAR与EMIT的使用结果并没有任何区别。本书中介绍一部分过程的定义实现。

6 另一个比较常用的过程定义是CR
终端输入 CR return-key
终端换行输出 ok

7 尝试输入 CR START CR START CR STAR return-key
终端换行输出* * *

8 在定义中也可以使用CR
终端输入定义: MARGIN CR 30 SPACES ; return-key
终端输入MARGIN START　MARGIN START MARGIN START return-key
对齐输出* * *

可以定义对齐输出为
: BLIP MARGIN　START ; return-key

9 水平输出定义
: STARS 0 DO START LOOP; return-key
终端输入 5 STARTS
终端输出 ***** ok
或者输入 35 STARS
终端连续输出 35个*

10 多个对齐输出定义
: BAR MARGIN 5 STARTS ; return-key
终端输入
BAR BLIP BAR BLIP BLIP CR return-key
终端输出形如"F"的星号组合

11 定义F输出过程为
: F BAR BLIP BAR BLIP BLIP CR ; return-key

正如上面例子中看到的，Forth可以通过简单的命令定义高级更为复杂的命令。一个Forth应用程序包含一系列按顺序组织的功能扩展性的命令定义。
传统应用定义一系列待执行指令序列。

这两种区别正是从底到顶实现与从顶到底实现的程序组织风格
本节的F字母应用可组织为下

(Large letter F)
: STAR        42 EMIT ;
: STARTS    0  DO STAR　LOOP ;
: MARGIN   CR 30 SPACES ;
: BLIP          MARGIN 5 STARS ;
: BAR          MARGIN 30 STARS ;
: F              BAR　 BLIP　BAR  BLIP  BLIP  CR ;

3 字典结构

在Forth中，word与定义的关联是通过字典dictionary结构实现的。dictionary中已经预定义了大量的words。自定义的words也会加入到dictonary中

在定义word的过程中，Forth会将过程定义转换为适当的格式存储到dictionary，然后写入过程入口，这个过程称为编译时compiling.

终端输入: STAR [CHAR] * EMIT ; return-key
Forth中的编译器(Compiler)将这个过程编译为合适的结构存储到dictionary中。编译时过程中并不会输出星号

那么字典中的word是如何执行的?
终端输入STAR 30 SPACES return-key

Forth中的解释器(Interpret)扫描输入内容，在dictionry中查找空格分割的单词是否定义，如果定义找到。然后Forth切换到运行器(Execute)状态，执行过程定义，完成执行后，解释器会输出ok

如果在dictionary中查找失败，Forth会切换到数字运行器(Number)。数字解释器会识别当前输入数字，然后存储到数字暂时存储区域、

如果数字运行器无法也无法失败输入内容，Forth会输出错误提示语。

整个过程总结如下
输入预定义word后，Forth启动解释器查找dictionary，查找成功切换运行execute,查找失败切换number, 数字识别成功，暂时存储，数字识别失败，提示错误信息

事实上:也是一个定义过程word。
终端输入: STAR [CHAR] * EMIT ; return-key

文本解释器(text interpreter)扫描输入，获取:，然后在dictionary中查找:定义，查找成功，切换到运行器(execute)。
:里的定义切换到编译器(compiler)，并将过程定义编译后写入dictionary。编译器遇到;后，结束运行(execute)返回到解释器(interpreter).最后输出ok

Forth中，word是一个拥有定义的字母或者字母组的表示。几乎所有的字母可以用在命名word。除了以下的控制性字母
return backsapce space等

下面的例子中包含了使用标点符号定义的word。word."用来在定义中输出文本字符串到终端，

: GREET　　　．＂Hello , I Speak Forth ＂ ; return-key

使用.定义了一个GREET。其中的"并不会被输出，"标识字符串的结束。

终端输入GREET return-key
终端输出 Hello, I Speak Fortk ok

4 Forth的算术运算空间:数字栈

大部分计算机都包含算术运算功能。
通常计算机会将输入内容分解为局部性结构，然后递归处理局部性结构，对于我们来说 3 + 4很明显是就是7,然而计算机会将3 + 4看做一个很长的待处理符号，然后分解处理。

可以假象普通计算机的运算过程如下
在普通计算机的按序输入3 + 4 =
计算机内容的流程如下

3+4

大部分计算机的运算过程正如上面介绍。计算机就是通过将数字存储到特定的区域然后将运算符作用于其上

Forth中包含一个特定的区域用来暂时存储数字，然后调用运算符对应的过程作用于数字，这个暂时存储区域叫做栈,数字栈(stack)。输入数字的过程就是将数字压栈的过程，然后操作过程会作用到栈上的数字

终端输入3 4 + . return-key后
其内部过程如下

这里的. 不同于."word 。也是定义在dictionary中。
Forth的算术运算使用后缀语法描述
3 + 4 通常使用3 4 +描述。
尽管这种描述方式反人类，但是非常适合机器运算过程描述

使用后缀(postfix)表达式的words需要在数字栈(stack)获取需要操作的数字

例如:
word + 从数字栈(stack)获取两个数字然后相加
word . 从数字栈(stack)获取一个数字然后打印
word SPACE 从数字栈(stack) 获取一个数字然后打印多个空格
word EMIT 从数字栈(stack)获取一个数字转移为字符然后打印
word STARS 从数字栈(stack)获取一个数字然后打印多个星星

所有的操作符word都是用来操作数字栈(stack)上的值，因此程序逐渐复杂的过程中多个操作符word之间的交互依然非常简单

正如我们早期描述Forth可以实现两种方式执行word，一种是简单的使用word的名称，调用对应的定义过程，一种是将word的定义编译存储到dictionary，然后命名为word。

比如我们想创建一个word用来让数字栈上的数字加4，假设这个word名为FOUR-MORE，那么我们可以定义这个word使用如下的方式
: FOUR-MORE 4 + ; return-key
终端输入3 FOUR-MORE . return-key
终端输出 7 ok
终端输入 -10 FOUR-MORE . return-key
终端输出 -6 ok

调用FOUR-MORE过程中，数字4被放到数字栈，
然后+运算符word从数字栈获取两个数字然后相加，

在后面的复杂例子中，数字栈或者后缀运算符表达式的值会频繁出现。而且随着更多的运算符word的加入，数字栈在运算符word相互交互中的作用就越重要。

5 数字栈副作用注释

作为刚刚接触栈操作与后缀表达式的我们，在进一步学习之前，最好通过实例操作数据栈熟悉栈操作的特性

正如其他语言中的栈，Forth的栈也是一个后进先出的LIFO结构组织。
前面介绍的3 4 +例子中 3先压栈然后 4压栈。最好+曹福首先获取4然后获取3。正如LIFO的后进先出

通常情况下，唯一可访问的值是栈顶的值。这个可以通过word.打印输出测试。 word.从栈中获取一个数字并打印，4个这个这样的word则依次打印出4个

终端输入2 4 6 8 . . . . return-key
则终端输出 8 6 4 2

其数字栈的运行过程图如下

stack

如果word.多于栈中的数字则会保存
终端输入10 20 30 . . . return-key
终端输出 30 20 10 0 Stack empty
这种错误叫做栈下溢(stack underflow) 与此相反的是栈上溢(stack overflow)
每个Forth的数字栈具有一定上限，压入数字过多导致栈上溢

Forth中的栈的副作用是一个非常重要的概念，因为每个word都需要栈作为操作对象，word的操作结果也会保存在数字栈上

在建立大量的新的words时，需要时刻关注stack的副作用效果，为了可视化的方式描述栈的副作用，
Forth的编程者通常使用特殊的栈注释性描述，
基本的栈副作用注释如下
(before -- after)
上面结构中 before描述操作前栈结构 after描述操作后栈结构

例如 . ( n -- )
表明word.从stack中获取一个数字，输出后，stack中这个数字消失

例如 + (n1 n2 -- sum )
表明word + 从stack获取一个数字，相加后，stack中添加一个结果数字
也就是说stack栈用来保存 word的输入数据与输出数据

before多个数字按照从低到高从左到右顺序排列，栈顶在最右侧，
after则多个数字按照从高到第从左到右顺序排列，栈顶在最左侧

下面是见过word的stack effect注释

: xxx  yyyy;  ( -- )
CR               (--)
SPACES        (n--)
SPACE          (--)
EMIT            (c -- )
." xxx"         (--)
+                 (n1 n2 -- sum)
.                   (n -- )

6 关键词复习

Compile 编译器
Dictionary 字典
Execute 运行器
Extensibility 可扩展性
Glossary
Infix notation 中缀表达式
Interpret 解释器
LIFO
Stack
Stack overflow
Stack underflow
Word

简介