pscm_cc 功能现状与开发规划

本文档总结 pscm_cc 的现有功能特性，并规划实现驱动 TeXmacs 所需的功能。

pscm_cc 已实现 Scheme 的核心功能，包括：

✅ 完整的类型系统（19 种数据类型，包括 MODULE）
✅ 核心特殊形式（包括 delay/force）
✅ Continuation 支持
✅ 宏系统（支持 dotted pair 参数，包含 macroexpand-1 和 macroexpand 调试工具）
✅ 模块系统和文件加载（完整的模块定义、使用、导出和文件加载功能）
✅ 丰富的内置函数（包括 gcd、lcm）

一、现有功能总结

1.1 核心基础设施 ✅

类型系统：统一 SCM 类型，支持 19 种数据类型（包括 PORT、PROMISE、MODULE）
解析器：递归下降解析器，支持完整 Scheme 语法
求值器：支持尾递归优化，模块化特殊形式处理
环境系统：词法作用域，链表结构环境
错误报告：源位置跟踪，清晰的错误信息

1.2 数据类型支持 ✅

类型	状态	说明
`NIL`	✅	空列表
`LIST`	✅	列表和点对
`NUM`	✅	整数
`FLOAT`	✅	浮点数
`RATIO`	✅	有理数（分数）
`CHAR`	✅	字符
`STR`	✅	字符串
`SYM`	✅	符号
`BOOL`	✅	布尔值
`PROC`	✅	Scheme 过程
`FUNC`	✅	C/C++ 函数
`CONT`	✅	Continuation
`MACRO`	✅	宏
`HASH_TABLE`	✅	哈希表
`VECTOR`	✅	向量
`PORT`	✅	端口
`PROMISE`	✅	Promise（延迟求值）
`MODULE`	✅	模块

1.3 特殊形式支持 ✅

定义：define, define-macro, lambda, set!
控制流：if, cond（支持 else 和 =>）, case, and, or, begin
作用域：let, let*, letrec（通过宏展开）
循环：do, for-each, map
引用：quote, quasiquote
函数应用：apply
Continuation：call/cc, call-with-current-continuation
多值：call-with-values, values
动态控制：dynamic-wind
延迟求值：delay, force

1.4 内置函数支持 ✅

类型检查

procedure?, boolean?, null?, pair?, char?, number?

列表操作

car, cdr, cadr, cddr, caddr, cons, list, append, list-head, list-tail, last-pair, set-car!, set-cdr!

数字运算

算术：+, -, *, /, expt, abs, gcd, lcm
比较：=, <, >, <=, >=, negative?
类型提升：整数、浮点数、分数混合运算

字符操作

char?, char->integer, integer->char, char=?, char<?, char>?, char<=?, char>=?, char-upcase, char-downcase

字符串操作

string-length, make-string, string-ref, string-set!, string=?, string<?, string<=?, substring, string-append, string->list, list->string, display, write, newline

相等性判断

eq?, eqv?, equal?

关联列表

assv, assoc, acons, assoc-ref, assoc-set!, assq-set!, assoc-remove!

哈希表

完整的哈希表操作集（创建、设置、获取、删除、遍历）

端口操作

open-input-file, open-output-file, open-input-string, open-output-string, close-input-port, close-output-port, read, read-char, peek-char, write-char, eof-object?, char-ready?, input-port?, output-port?, get-output-string, call-with-input-file, call-with-output-file, call-with-input-string, call-with-output-string

系统操作

exit

延迟求值

delay, force

宏调试工具

macroexpand-1, macroexpand

其他

gensym, not, eval

1.5 C/C++ 函数注册 ✅

scm_define_function：固定参数函数
scm_define_generic_function：泛型函数
scm_define_vararg_function：可变参数函数

1.6 宏系统 ✅

宏定义：define-macro 支持定义宏，支持 dotted pair 参数列表（如 (define-macro (foo x y . z) ...)）
宏展开：正确处理宏参数绑定和展开，包括 rest 参数的绑定
宏调试工具：
- macroexpand-1 expr：展开宏一次（如果 expr 是宏调用），类似 Guile 1.8 的 macroexpand-1
- macroexpand expr：递归展开宏直到没有更多宏可展开，类似 Guile 1.8 的 macroexpand
- 支持在模块环境中查找宏，正确处理用户定义的宏（如重新定义的 letrec）
Dotted Pair 支持：
- 宏展开时正确保留 dotted pair 结构（is_dotted 标记）
- expand_macros 函数在递归展开列表时保留 is_dotted 标记
- quasi 函数正确处理 quasiquote 中的 dotted pair，包括 unquote-splicing 后跟 dotted pair 的情况
Quasiquote 集成：宏中使用的 quasiquote 正确处理 dotted pair，确保 (lambda (x y . z) z) 等结构在宏展开后仍保持正确
Unquote-splicing 修复：修复了 unquote-splicing (,@) 在处理 dotted pair 时的 BUG，现在可以正确展开包含多个元素的列表（如 letrec 宏中的多个 set! 表达式）
测试覆盖：包含 rest 参数宏、dotted pair 参数宏、quasiquote 中 dotted pair 的完整测试

二、缺失功能分析

2.1 端口（Port）系统 ✅

优先级：✅ 已完成

端口系统已完整实现，包括文件端口和字符串端口功能。

已实现功能

端口类型：输入端口、输出端口 ✅
文件端口：
- open-input-file filename → 输入端口 ✅
- open-output-file filename → 输出端口 ✅
- close-input-port port ✅
- close-output-port port ✅
字符串端口：
- open-input-string string → 输入端口 ✅
- open-output-string → 输出端口 ✅
- get-output-string port → 字符串 ✅
端口操作：
- read port：从端口读取 Scheme 对象 ✅
- read-char port：读取字符 ✅
- peek-char port：查看下一个字符 ✅
- eof-object? obj：判断是否为文件结束对象 ✅
- char-ready? port：判断字符是否就绪 ✅
- write-char char port：写入字符 ✅
端口谓词：
- input-port? port：判断是否为输入端口 ✅
- output-port? port：判断是否为输出端口 ✅
端口包装：
- call-with-input-file filename proc ✅
- call-with-output-file filename proc ✅
- call-with-input-string string proc ✅
- call-with-output-string proc ✅

2.2 文件加载系统 ✅

优先级：✅ 已完成

已实现功能

parse_file：解析文件为 AST 列表 ✅
load filename：加载并执行 Scheme 文件 ✅
primitive-load filename：底层加载函数（Guile 兼容）✅
加载路径管理：%load-path 支持路径搜索 ✅
模块集成：加载文件时自动处理 define-module，支持模块文件自动加载 ✅

实现特点

✅ load 函数调用 parse_file 并逐个求值
✅ 支持相对路径和搜索路径（通过 %load-path）
✅ 错误处理：文件不存在、解析错误等

2.3 模块系统 ✅

优先级：✅ 已完成

TeXmacs 大量使用模块系统组织代码。

已实现功能

模块定义：
- define-module name：定义模块 ✅
- current-module：获取当前模块 ✅
模块使用：
- use-modules spec ...：使用模块 ✅
- module-use! module spec：模块操作 ✅
模块查询：
- resolve-module name：解析模块 ✅
- module-ref module symbol：获取模块变量 ✅
- module-bound? module symbol：检查模块绑定 ✅
模块导出：
- define-public name value：定义并导出 ✅
- export symbol ...：导出符号 ✅
模块接口：
- 模块环境管理：每个模块有独立环境 ✅
- 模块解析：支持模块路径搜索（通过 %load-path）✅

实现特点

✅ 添加了 MODULE 类型
✅ 模块环境管理：每个模块有独立环境
✅ 模块解析：支持模块路径搜索
✅ 模块查找：支持从模块的 obarray、uses 列表和根模块中查找变量

2.4 错误处理机制 ⚠️

优先级：🟡 中

已实现功能

eval_error：错误报告 ✅
源位置跟踪 ✅
调用栈追踪：自动追踪表达式求值路径，错误时显示完整调用栈（最多 20 层）✅
增强的错误报告：包含表达式类型、值、源位置和完整求值上下文 ✅

缺失功能

异常捕获：
- catch tag thunk handler：捕获异常
- throw key args ...：抛出异常
错误对象：
- 错误类型系统
- 错误消息格式化
错误恢复：
- 优雅的错误处理（而非直接 exit(1)）

实现要点

实现异常系统（可基于 continuation）
错误类型定义
错误处理流程改进（从 exit(1) 改为可恢复的错误处理）

2.5 更多特殊形式 ✅

优先级：✅ 已完成

已实现功能

case expr clause ...：多路分支 ✅
and expr ...：逻辑与（短路求值）✅
or expr ...：逻辑或（短路求值）✅
delay expr：延迟求值（Promise）✅
force promise：强制求值 ✅

实现说明

Promise 类型：添加了 PROMISE 类型，支持延迟求值
重入处理：force 实现正确处理重入调用（re-entrant force），符合 R5RS 规范
测试覆盖：包含基础用法、多次 force、懒序列（stream）和重入 force 的完整测试

2.6 更多内置函数 ⚠️

优先级：🟢 低

已实现功能

字符操作：
- char=?, char<?, char>?, char<=?, char>=?：字符比较 ✅
- char-upcase, char-downcase：大小写转换 ✅
字符串操作：
- string=?, string<?, string<=?：字符串比较 ✅
- substring, string-append：字符串操作 ✅
- string->list, list->string：转换 ✅
向量操作：
- vector->list, list->vector：转换 ✅
数字运算：
- gcd n1 ...：最大公约数（支持可变参数）✅
- lcm n1 ...：最小公倍数（支持可变参数）✅
系统操作：
- exit code：退出程序 ✅

缺失功能

系统操作：
- transcript-on filename：开始记录
- transcript-off：停止记录

2.7 Guile API 兼容层 ❌

优先级：🔴 高

TeXmacs 通过 Guile C API 与 Scheme 交互。

缺失功能

基本操作：

SCM scm_cons(SCM car, SCM cdr);
SCM scm_car(SCM pair);
SCM scm_cdr(SCM pair);
SCM scm_list1(SCM obj1);
SCM scm_list2(SCM obj1, SCM obj2);
SCM scm_list3(SCM obj1, SCM obj2, SCM obj3);

求值：

SCM scm_eval(SCM expr, SCM env);
SCM scm_eval_string(const char* str);
SCM scm_eval_file(const char* filename);

环境：

SCM scm_interaction_environment();
SCM scm_current_module();

变量操作：

void scm_define(SCM env, SCM symbol, SCM value);
SCM scm_lookup(SCM env, SCM symbol);

过程调用：

SCM scm_call(SCM proc, SCM args);
SCM scm_apply(SCM proc, SCM args);

错误处理：

void scm_error(const char* subr, const char* fmt, ...);
SCM scm_catch(SCM tag, SCM* (*thunk)(void*), void* data,
              SCM* (*handler)(void*, SCM), void* handler_data);

实现要点

创建 guile_compat.h 和 guile_compat.cc
类型转换：SCM* ↔ SCM（void*）
API 映射：将内部实现映射到 Guile API
行为一致性：确保与 Guile 1.8 行为一致

2.8 垃圾回收（GC）❌

优先级：🔴 高

当前所有内存都不会释放，存在内存泄漏。

实现方案

标记-清除（Mark-and-Sweep）：
- 标记所有可达对象
- 清除未标记对象
根对象注册：
- 全局环境
- Continuation 栈
- 当前执行上下文
对象遍历：
- 递归遍历所有引用
- 标记可达对象

实现要点

统一内存分配接口
对象标记机制
GC 触发时机（分配时、手动触发）
与 continuation 的兼容性

2.9 性能优化 ⚠️

优先级：🟢 低

当前问题

环境查找：O(n) 线性搜索
符号比较：使用 memcmp

优化方向

环境查找优化：
- 使用哈希表优化环境查找（哈希表已实现）
- 将查找复杂度降至 O(1)
符号表优化：
- 符号去重（interning）
- 快速符号比较
其他优化：
- 热点代码识别
- 尾调用优化改进

pscm_cc 功能现状与开发规划 ​

一、现有功能总结 ​

1.1 核心基础设施 ✅ ​

1.2 数据类型支持 ✅ ​

1.3 特殊形式支持 ✅ ​

1.4 内置函数支持 ✅ ​

类型检查 ​

列表操作 ​

数字运算 ​

字符操作 ​

字符串操作 ​

相等性判断 ​

关联列表 ​

哈希表 ​

端口操作 ​

系统操作 ​

延迟求值 ​

宏调试工具 ​

其他 ​

1.5 C/C++ 函数注册 ✅ ​

1.6 宏系统 ✅ ​

二、缺失功能分析 ​

2.1 端口（Port）系统 ✅ ​

已实现功能 ​

2.2 文件加载系统 ✅ ​

已实现功能 ​

实现特点 ​

2.3 模块系统 ✅ ​

已实现功能 ​

实现特点 ​

2.4 错误处理机制 ⚠️ ​

已实现功能 ​

缺失功能 ​

实现要点 ​

2.5 更多特殊形式 ✅ ​

已实现功能 ​

实现说明 ​

2.6 更多内置函数 ⚠️ ​

已实现功能 ​

缺失功能 ​

2.7 Guile API 兼容层 ❌ ​

缺失功能 ​

实现要点 ​

2.8 垃圾回收（GC）❌ ​

实现方案 ​

实现要点 ​

2.9 性能优化 ⚠️ ​

当前问题 ​

优化方向 ​

pscm_cc 功能现状与开发规划

一、现有功能总结

1.1 核心基础设施 ✅

1.2 数据类型支持 ✅

1.3 特殊形式支持 ✅

1.4 内置函数支持 ✅

类型检查

列表操作

数字运算

字符操作

字符串操作

相等性判断

关联列表

哈希表

端口操作

系统操作

延迟求值

宏调试工具

其他

1.5 C/C++ 函数注册 ✅

1.6 宏系统 ✅

二、缺失功能分析

2.1 端口（Port）系统 ✅

已实现功能

2.2 文件加载系统 ✅

已实现功能

实现特点

2.3 模块系统 ✅

已实现功能

实现特点

2.4 错误处理机制 ⚠️

已实现功能

缺失功能

实现要点

2.5 更多特殊形式 ✅

已实现功能

实现说明

2.6 更多内置函数 ⚠️

已实现功能

缺失功能

2.7 Guile API 兼容层 ❌

缺失功能

实现要点

2.8 垃圾回收（GC）❌

实现方案

实现要点

2.9 性能优化 ⚠️

当前问题

优化方向