Icon語言

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Icon
編程範型多范型：面向文本, 結構化
設計者Ralph Griswold（英語：Ralph Griswold）
面市時間1977年，​47年前​（1977）
當前版本
  • v9.5.23a (2023年8月19日；滾動更新)[1]
  • 951 (2013年6月5日；穩定版本)[2]
編輯維基數據鏈接
型態系統動態
許可證公有領域
網站www.cs.arizona.edu/icon
主要實作產品
Icon, Jcon
衍生副語言
Unicon
啟發語言
SNOBOL[3], SL5[4], ALGOL
影響語言
Unicon, Python[5], Goaldi

Icon是一門領域特定的高級編程語言，有着「目標（goal）導向執行」特徵，和操縱字符串和文本模式的很多設施。它衍生自SNOBOL和SL5字符串處理語言[7]。Icon不是面向對象的，但在1996年開發了叫做Idol的面向對象擴展，它最終變成了Unicon。

歷史

在1971年8月，SNOBOL的設計者之一Ralph Griswold（英語：Ralph Griswold）離開了貝爾實驗室，成為了亞利桑那大學的教授[8]。他那時將SNOBOL4介入為研究工具[9]。

作為最初在1960年代早期開發的語言，SNOBOL的語法帶有其他早期編程語言的印記，比如FORTRAN和COBOL。特別是，語言是依賴列的，像很多要錄入到打孔卡的語言一樣，有着列布局是很自然的。此外，控制結構幾乎完全基於了分支，而非使用塊，而塊在ALGOL 60中介入之後，已經成為了必備的特徵。在他遷移到亞利桑那的時候，SNOBOL4的語法已然過時了[10]。

Griswold開始致力於用傳統的流程控制結構如if…then，來實現SNOBOL底層的成功和失敗概念。這成為了SL5，即「SNOBOL Language 5」的簡寫，但是結果不令人滿意[10]。在1977年，他考慮設計語言的新版本。他放棄了在SL5中介入的非常強力的函數系統，介入更簡單的暫停和恢復概念，並為SNOBOL4自然後繼者開發了新概念，具有如下的原則[10]：

  • SNOBOL4的哲學和語義基礎；
  • SL5的語法基礎；
  • SL5的特徵，排除廣義的過程機制。

新語言最初叫做SNOBOL5，但因為除了底層概念外，全都與SNOBOL有着顯著的差異，最終想要一個新名字。在這個時候Xerox PARC發表了他們關於圖形用戶界面的工作，術語「icon」從而進入了計算機詞彙中。起初確定為「icon」而最終選擇了「Icon」[10]。

基本語法

Icon語言衍生自ALGOL類的結構化編程語言，因而有着類似C或Pascal的語法。Icon最類似於Pascal的，是使用了:=語法的賦值，procedure關鍵字和類似的語法。在另一方面，Icon使用C風格的花括號來結構化執行分組，並且程序開始於運行叫做main的過程。

Icon還在很多方面分享了多數腳本語言（還有SNOBOL及SL5）的特徵：變量不需要聲明，類型是自動轉換的，就說數字和字符串可以自動來迴轉換。另一個常見於很多而非全部的腳本語言的特徵是，缺少行終止字符；在Icon中，不結束於分號的行，若其確有意義則由暗含的分號來終結。

過程是Icon程序的基本建造塊。儘管它們使用Pascal名稱，但工效上更像C函數並可以返回值；在Icon中沒有function關鍵字。 

procedure doSomething(aString)
  write(aString)
end

目標導向執行

Icon的關鍵概念之一就是其控制結構基於表達式的「成功」或「失敗」，而非大多數其他編程語言中的布爾邏輯。這個特徵直接派生自SNOBOL，在其中表達式求值、模式匹配和模式匹配連帶替換，都可以跟隨着成功或失敗子句，用來指定在這個條件下要分支到一個語句標籤。例如，下列代碼打印「Hello, World!」五次[11]： 

* 打印Hello, World!五次的SNOBOL程序 
      I = 1
LOOP  OUTPUT = "Hello, World!"
      I = I + 1
      LE(I, 5) : S(LOOP)
END

要進行循環，在索引變量I之上調用內建的函數LE()（小於等於），並且S(LOOP)測試它是否成功，即在I小於等於5之時，分支到命名標籤LOOP而繼續下去[11]。

Icon保留了基於成功或失敗的控制流程的基本概念，但進一步發展了語言。一個變更是將加標籤的GOTO式的分支，替代為面向塊的結構，符合在1960年代後期席捲計算機工業的結構化編程風格[10]。另一個變更是允許失敗沿着調用鏈向上傳遞，使得整個塊作為一個整體的成功或失敗。這是Icon語言的關鍵概念。而在傳統語言中，必須包括基於布爾邏輯的測試成功或失敗的代碼，並接着基於產出結果進行分支，這種測試和分支是固有於Icon代碼的，而不需要明確的寫出[12]。考慮如下複製標準輸入到標準輸出的簡單代碼： 

while a := read() then write(a)

它的含義是：「只要讀取不返回失敗，調用寫出，否則停止」[13]。在Icon中，read()函數返回一行文本或&fail。&fail不是簡單的Java中的特殊返回值EOF（文件結束）的類似者，因為它被語言依據上下文明確理解為意味着「停止處理」或「按失敗狀況處理」。這裡即使read()導致一個錯誤它都會工作，比如說如果文件不存在。在這種情況下，語句a := read()會失敗，而寫操作簡單的不調用。

成功和失敗將沿着調用鏈向上傳遞，意味着可以將函數調用嵌入其他函數調用內，在嵌套的函數調用失敗時，它們整體停止。例如，上面的代碼可以精簡為[14]： 

while write(read())

在read()命令失敗的時候，比如在文件結束之處，失敗將沿着調用鏈上傳，而write()也會失敗。while作為一個控制結構，在失敗時停止。Icon稱謂這個概念為「目標導向執行」，指稱這種只要某個目標達到執行就繼續的方式。在上面的例子中目標是讀整個文件；讀命令在有信息讀到的時候成功，而在沒有的時候失敗。目標因此直接編碼於語言中，不用再去檢查返回碼或類似的構造。

Icon使用目標導向機制用於進行傳統的布爾測試，儘管有着微妙的差異。一個簡單的比較如if a < b then write("a is smaller than b")，這裡的if子句，不像在多數語言中那樣意味着：「如果右側運算求值為真」；轉而它的意味更像是：「如果右側運算成功」。在這種情況下，如果這個比較為真，<算子成功。如果if子句的這個表達式成功，則調用then子句，如果它失敗了，則調用else子句或下一行。結果同於在其他語言中見到的傳統if…then，如果a小於b，if進行then子句。微妙之處是相同的比較表達式可以放置在任何地方，例如： 

write(a < b)

另一個不同是<算子如果成功，返回它的第二個實際參數，在這個例子中，如果b大於a，則導致它的值被寫出，否則什麼都不寫。因為並非測試本身，而是一個算子返回一個值，它們可以串聯在一起，允許像if a < b < c這樣的事情[14] ，在多數語言中平常類型的比較下，必須寫為兩個不等式的結合，比如if (a < b) && (b < c)。

將成功和失敗的概念與異常的概念相對比是很重要的；異常是不尋常的狀況，不是預期的結果。在Icon中失敗是預期的結果；到達文件的結束處是預期的狀況而不是異常。Icon沒有傳統意義上的異常處理，儘管失敗經常被用於類似異常的狀況下。例如，如果要讀取的文件的不存在，read()失敗而不指示出特殊狀況[13]。在傳統語言中，沒有指示這些「其他狀況」的自然方式，典型的異常處理是「拋出」一個值，下面是用Java處理缺失文件的例子： 

try {
    while ((a = read()) != EOF) {
        write(a);
    }
} catch (Exception e) {
    // 某个事情出错了，使用这个catch来退出循环
}

這種情況需要兩個比較：一個用於文件結束（EOF）而另一個用於所有其他錯誤。因為Java不允許異常作為邏輯元素來比較，就像Icon中那樣，轉而必須使用冗長的try/catch語法。try塊即使沒有異常拋出，也強加了性能上的懲罰，Icon避免了這種分攤成本（英語：Distributed cost）。

目標導向執行的一個關鍵方面，是程序可能必須在一個過程失敗時倒轉到以前的狀態，這個任務叫做回溯。例如，考慮設置一個變量為一個開始位置，並接着進行可以改變這個值的操作，這是在字符串掃描中常見情況，這裡前進游標通過它所掃描的字符串。如果這個過程失敗了，任何對這個變量的後續讀取都返回最初的狀態，而非被內部操縱後的狀態是很重要的。對於這種任務，Icon有一個「可逆賦值」算子<-，和「可逆交換」算子<->。例如，考慮如下嘗試在一個更大字符串內找到一個模式字符串的代碼： 

{
  (i := 10) &
  (j := (i < find(pattern, inString)))
}

這個代碼開始於移動i到10，這是查找的開始位置。但是，如果find()失敗，這個塊將作為整體失敗，作為一個不想要的副作用，它導致i的值留下為10。故而應將i := 10替代為i <- 10，指示i在這個塊失敗時應當被重置為它以前的值。這提供了執行中的原子性（英語：Atomic commit）的類似者。

生成器

在Icon中表達式經常返回一個單一的值，例如5 > x，將求值並且如果x的值小於5則成功並返回x，否則失敗。但是，Icon還包括了過程不立即返回成功或失敗，轉而每次調用它們之時返回一個新值的概念。這些過程叫做生成器，並且是Icon語言的關鍵部份。在Icon的用語中，一個表達式或函數的求值產生一個「結果序列」。結果序列包含這個表達式或函數生成的所有可能的值。在結果序列被耗盡的時候，這個表達式或函數失敗。

Icon允許任何過程返回一個單一值或多個值，使用fail、return和suspend關鍵字來控制。缺乏任何這種關鍵字的過程返回&fail，它在執行進行到一個過程的end處的時候發生。例如： 

procedure f(x)
  if x > 0 then {
    return 1
  }
end

調用f(5)將返回1，而調用f(-1)將返回&fail。這將導致不明顯的行為，比如write(f(-1))將什麼都輸出，因為f失敗而暫停了write()的操作[15]。

將一個過程轉換成一個生成器，要使用suspend關鍵字，它意味着「返回這個值，並且在再次調用時，從這一點開始執行」。例如[13]： 

procedure ItoJ(i, j)
  while i <= j do {
    suspend i
    i +:= 1
  }
  fail
end

建立一個生成器，它返回一系列的數，開始於i並結束於j，接着在它們之後返回&fail。[a]suspend i停止執行，並返回i的值，而不重置任何狀態。當對相同函數做出另一次調用的時候，執行在這一點上拾起以前的值。在這種情況下，導致它進行i +:= 1，循環回到while的開始處，並接着返回下一個值並再次暫停。這將持續直到i <= j失敗，在這一點上它退出這個塊並調用fail。這允許輕易的構造迭代器[13]。

另一種類型的生成器建造器是|即「交替（英語：Alternation (formal language theory)）算子」（alternator），它的感觀和運算就像布爾算子or，例如： 

if y < (x | 5) then write("y=", y)

這看起來是在說「如果y小於x或者5那麼...」，實際上它是生成器的一種簡寫形式，它返回值直到脫離於這個列表的結束處。這個列表的值被注入到運算之中，在這裡是<。所以這個例子，系統首先測試y < x，如果x實際上大於y，它返回x的值，這個測試通過，而y的值在then子句中寫出。然而，如果x不大於y，它失敗了，交替算子繼續，進行y < 5。如果這個測試通過，寫出y。如果y不小於x或者5，交替算子用完了，測試失敗，if子句失敗，而不進行write()。因此，y的值如果小於x或5，則它將出現在控制台上，從而履行了布爾or的作用。函數不會被調用，除非求值它們的參數成功，所以這個例子可以簡寫為： 

write("y=", (x | 5) > y)

在內部，交替算子不是簡單的一個or，它還可以用來構造值的任意列表。這可以用來在任意的一組值上迭代，比如： 

every i := (1|3|4|5|10|11|23) do write(i)

every類似於while，循環經過一個生成器的返回的所有項目，在失敗時退出[15]。

因為整數列表在很多編程場景都是很常見的，Icon還包括了to關鍵字來構造「事實上的」整數生成器： 

every k := i to j do write(k)

在這種情況下，從i到j的值，將注入到write()並寫出多行輸出[15]。它可以簡寫為： 

every write(i to j)

Icon不是強類型的，所以交替算子列表可以包含不同類型的項目： 

every i := (1 | "hello" | x < 5)  do write(i)

這將依賴於x的值，寫出1、"hello"或可能的5。

同樣的「合取算子」&，以類似於布爾算子and的方式來使用[16]： 

every x := ItoJ(0,10) & x % 2 == 0 do write(x)

這個代碼調用ItoJ並返回一個初始值0，它被賦值給x。接着進行合取的右手端，並且因為x % 2不等於0，它寫出這個值。接着再次調用ItoJ生成器，它賦值1到x，這使得右手端失敗而不打印任何東西。最終結果是從0到10的所有偶數的一個列表[16]。

生成器的概念對於字符串操作是很強大的。在Icon中，find()函數是個生成器。下面的例子代碼，在一個字符串中找出"the"的所有出現位置： 

s := "All the world's a stage. And all the men and women merely players"
every write(find("the", s))

find()在每次被every恢復的時候，將返回"the"的下一個實例的索引，最終達到字符串結束處並失敗。

當然人們有時會想要找到在輸入中某點之後的一個字符串，例如，掃描包含多列數據的一個文本文件。目標導向執行也能起效： 

write(5 < find("the", s))

只返回"the"出現在位置5之後的那些位置；否則比較會失敗。成功的比較返回右手側的結果，所以把find()放置到這個比較的右手側是重要的。

搜集

Icon包括了一些搜集類型，包括列表（它還可以用作堆棧和隊列）、表格（在其他語言中也叫做映射或字典）和集合（英語：Set (abstract data type)）等。Icon稱它們為「結構」。搜集是固有的生成器，並可以使用「嘆號語法」來輕易調用。例如： 

lines := []                    # 建立一个空列表
while line := read() do {      # 循环从标准输入读取行
  push(lines, line)            # 使用类堆栈语法来将行压入列表
}
while line := pop(lines) do {  # 循环于行可以从列表弹出之时
  write(line)                  # 将行写出
}

使用如前面例子中見到的失敗傳播，可以組合測試和循環： 

lines := []                    # 建立空列表
while push(lines, read())      # 压入直到为空
while write(pop(lines))        # 写直到为空

由於列表搜集是個生成器，可以使使用嘆號語法進一步簡化： 

lines := []
every push(lines, !&input)
every write(!lines)

在這種情況下，在write()內的嘆號，導致Icon從數組一個接一個的返回一行文本，並且在結束處失敗。&input是基於生成器的read()的類似者，它從標準輸入讀取一行，所以!&input繼續讀取行直到文件結束。

因為Icon是無類型的，列表可以包含任何不同類型的值： 

aCat := ["muffins", "tabby", 2002, 8]

在列表內的項目可以包括其他結構。為了建造更大的列表，Icon包括了list生成器；i := list(10, "word")生成包含"wold"的10個複本的一個列表。

就像其他語言中的數組，Icon允許項目按位置來查找，比如weight := aCat[4]。就像陣列分片（英語：Array slicing）那樣，索引是在元素之間的，可以通過指定範圍來獲得列表的分片，比如aCat[2:4]產生列表["tabby",2002]。

表格本質上是具有任意索引鍵而非僅為整數的列表： 

symbols := table(0)
symbols["there"] := 1
symbols["here"] := 2

這個代碼建立使用的0作為任何未知鍵的缺省值的一個table。接着向它增加了兩個項目，具有鍵"there"和"here"，和分別的值1和2。

集合也類似於列表，但是只包含任何給定值的一個單一成員。Icon包括了++來產生兩個集合的併集，**用於交集，和--用於差集。Icon包括一些預定義的Cset，即包含各種字符的集合。在Icon中有四個標準Cset：&ucase、&lcase、&letters和&digits。可以通過用單引號包圍字符串來建造Cset，例如vowel := 'aeiou'.

字符串

在Icon中，字符串是字符的列表。作為一個列表，它們是生成器，並可以使用「嘆號語法」來迭代： 

write(!"Hello, world!")

這將在獨立行上打印出字符串的每個字符。

子字符串可以使用在方括號內的一個範圍規定從字符串中提取出來。範圍規定可以返回到一個單一字符的一個點，或字符串的一個分片（slice）。字符串可以從左或從右索引。在一個字符串內的位置被定義為在字符之間：1A2B3C4，也可以從右規定：−3A−2B−1C0。例如： 

"Wikipedia"[1]     == "W"
"Wikipedia"[3]     == "k"
"Wikipedia"[0]     == "a"
"Wikipedia"[1:3]   == "Wi"
"Wikipedia"[-2:0]  == "ia"
"Wikipedia"[2+:3]  == "iki"

這裡最後例子採用了x1[i1+:i2] : x2表達式，產生x1在i1和i1 + i2之間的子字符串。

子字符串規定可以用作字符串內的左值。這可以被用來把字符串插入到另一個字符串，或刪除字符串的某部份。例如： 

s := "abc"
s[2] := "123"
# s现在的值是"a123c"
s := "abcdefg"
s[3:5] := "ABCD"
# s现在的值是"abABCDefg"
s := "abcdefg"
s[3:5] := ""
# s现在的值是"abefg"

Icon的下標索引是在元素之間的。給定字符串s := "ABCDEFG"，索引是1A2B3C4D5E6F7G8。分片s[3:5]是在索引3和5之間的字符串，它是字符串"CD"。

字符串掃描

對處理字符串的進一步簡化是「掃描」系統，通過?來發起，它在一個字符串上調用函數： 

s ? write(find("the"))

Icon稱呼?的左手端為「主語」，並將它傳遞到字符串函數中。所調用的find()接受兩個參數，查找的文本作為參數一，而要在其中查找的字符串是參數二。使用?，第二個參數是隱含的，而不由編程者來指定。在多個函數被依次調用在一個單一字符串上的常見情況下，這種風格可以顯著的所見結果代碼的長度並增加清晰性。

?不是簡單的一種語法糖，它還為任何隨後的字符串操作，建立一個「字符串掃描環境」。這基於了兩個內部變量，&subject和&pos，這裡的&subject是要掃描的字符串，而&pos是在這個主語字符串內的「游標」或當前位置。例如： 

s := "this is a string"
s ? write("subject=[",&subject,"] pos=[",&pos,"]")

將產生： 

subject=[this is a string] pos=[1]

內建和用戶定義的函數，可以被用於在要掃描的字符串上移動。所有內建函數缺省採用&subject和&pos，來允許用上掃描語法。比如函數tab (i) : s，它設置掃描位置：產生&subject[&pos:i]，並將i賦值到&pos。下列例子代碼，寫出在一個字符串內，所有空白界定出的word： 

s := "this is a string"
s ? {                           # 建立字符串扫描环境
  while not pos(0) do {         # 测试字串结束
    tab(many(' '))              # 跃过任何空白
    word := tab(upto(' ') | 0)  # 下一个word是直到下一个空白或行结束
    write(word)                 # 写这个word
  }
}

這個例子介入了一些新函數。pos()返回&pos的當前值。為何需要這個函數，而不簡單的直接使用&pos的值，不是顯而易見的；原因是&pos是一個變量，而不能呈現值&fail，而過程pos()能。因此pos()提供對&pos的輕量級包裝，它允許輕易使用Icon的目標導向控制流，而不用針對&pos提供手寫的布爾測試。在這種情況下，測試是「&pos是零」，在Icon的字符串位置的特異編碼中，零是行結束。如果它不是零，pos()返回&fail，它通過not反轉而使得循環繼續。

many()從當前&pos開始，找到提供的Cset參數的一個或多個例子。在這種情況下，它查找空格字符，所以這個函數的結果是在&pos之後的第一個非空格字符的位置。tab()移動&pos到那個位置，這種情況下再次具有潛在的&fail，例如many()在字符結束處脫離。upto()本質上是many()的反函數；它返回緊前於提供的Cset的例子的位置，接着由另一個tab()來設置&pos。這裡的交替用來在行結束處也停止。

這個例子通過使用更合適的「字分隔」Cset，可以包括句號、逗號和其他標點，還有其他空白字符如tab和不換行空格，能夠變得更加健壯。這個Cset可以接着用於many()和upto()。

一個更複雜的例子演示了在這個語言內生成器和字符串掃描的集成： 

procedure main()
  s := "Mon Dec 8"
  s ? write(Mdate() | "not a valid date")
end
# 定义一个匹配函数
# 它返回匹配day month dayofmonth的一个字符串
procedure Mdate()
  # 定义一些初始值
  static dates
  static days
  initial {
    days := ["Mon","Tue","Wed","Thr","Fri","Sat","Sun"]
    dates := [
     "Jan","Feb","Mar","Apr","May","Jun",
     "Jul","Aug","Sep","Oct","Nov","Dec"
    ]
  }
  every suspend 
    (retval <- 
      tab(match(!days)) ||           # 匹配一个day
      =" " ||                        # 跟随着一个空白
      tab(match(!dates)) ||          # 跟随着一个month
      =" " ||                        # 跟随着一个空白
      matchdigits(2)) &              # 跟随着最多2位数字
    (=" " | pos(0)) &                # 要么是空白要么是字符串结束
    retval                           # 最终返回这个字符串
end
# 返回最多n位数字的一个字符串的匹配函数
procedure matchdigits(n)
  suspend (v := tab(many(&digits)) & *v <= n) & v
end

表達式*x計算x的大小。算子||串接兩個字符串。這裡介入了內建函數match (s1,s2,i1,i2) : i3，它匹配初始字符串：如果s1 == s2[i1+:*s1]，產生i1 + *s1，否則失敗；它設定有缺省值：s2為&subject；i1在s2缺省時為&pos，否則為1；i2為0。

參見

註解

  1. ^ fail在這種情況下是不要求的，因為它緊前於end，增加它是為了清晰性。

引用

  1. ^ https://github.com/gtownsend/icon/releases/tag/v9.5.23a.
  2. ^ Release 951. 2013年6月5日 [2023年9月19日]. 
  3. ^ Griswold, Ralph E.; Poage, J.F.; Polonsky, Ivan P. The SNOBOL 4 Programming Language 2nd. Englewood Cliffs NJ: Prentice-Hall. 1971. ISBN 0-13-815373-6. 
  4. ^ Ralph E. Griswold, David R. Hanson, "An Overview of SL5", SIGPLAN Notices 12:4:40-50 (April 1977)
  5. ^ Schemenauer, Neil; Peters, Tim; Hetland, Magnus. PEP 255 -- Simple Generators. 2001-12-21 [2008-09-05]. （原始內容存檔於2020-06-05）. 
  6. ^ v9.5.22e. [2022-11-09]. （原始內容存檔於2022-11-11）. 
  7. ^ Griswold, Ralph E.; Griswold, Madge T. History of the Icon programming language. Bergin, Thomas J.; Gibson, Richard G. (編). History of Programming Languages II. New York NY: ACM Press. 1996. 
  8. ^ Griswold 1981，第609頁.
  9. ^ Griswold 1981，第629頁.
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 Griswold & Griswold 1993，第53頁.
  11. ^ 11.0 11.1 Lane, Rupert. SNOBOL - Introduction. Try MTS. 26 July 2015 [2022-02-03]. （原始內容存檔於2022-05-09）. 
  12. ^ Tratt 2010，第73頁.
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 13.3 Tratt 2010，第74頁.
  14. ^ 14.0 14.1 Griswold 1996，第2.1頁.
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 Tratt 2010，第75頁.
  16. ^ 16.0 16.1 Tratt 2010，第76頁.

參考書目

外部連結

維基教科書中的相關電子教學：en:Icon Programming

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