Scheme

定义

Scheme 是 Lisp 家族中的一种方言，与 Common Lisp 一同被视为该家族的两支主要分支。它采用静态作用域规则，程序与数据都以括号包裹的 S-表达式书写，源代码可以直接当作数据被读取和改写^[1][2]。

与多数早期 Lisp 方言不同，Scheme 强调语言核心应当尽量小，标准只规定少量语法形式与基本过程，其余能力依靠宏和库扩展^[3][1]。这一取向常被概括为：语言设计不应靠不断堆叠特性，而应消除那些使额外特性显得必要的限制^[4]。

在语言分类上，Scheme 属于多范式语言，支持函数式与命令式写法，具有动态类型和强类型检查，过程可作为值传递，文件扩展名通常为 .scm 或 .ss^[1]。

原理

Scheme 的语义基础是 λ 演算。函数用 lambda 形式定义，函数调用与 λ 演算中的函数应用相对应，这使得语言的核心规则数量很少，却能组合出完整的计算能力^[5]。变量遵循词法作用域，一处引用的绑定关系仅凭程序文本即可确定，无须考虑调用发生时的环境^[6]。

求值模型上，Scheme 采用传值调用，并规定尾调用必须做尾调用优化：若过程调用位于尾位置，其调用者栈帧可被复用，因此可以用递归表达循环而不增长栈空间^[3][2]。函数调用的算子位置与操作数位置按相同方式求值，全部变量共用同一个词法环境^[2]。

另一项核心机制是头等续体。过程 call-with-current-continuation（常缩写为 call/cc）把当前计算的「剩余部分」打包成一个可调用过程交给用户过程，该过程日后被调用时，控制权会回到捕获点，且调用次数与时限不受限制^[7]。常见实现方式是在捕获时复制当前调用栈，或在堆上分配调用帧，前者在未使用 call/cc 时不产生额外开销^[8]。

宏系统以 syntax-rules 为代表，其展开遵循卫生性(hygiene)原则：宏模板中引入的标识符不会与使用处同名标识符意外冲突，因此可在保持词法绑定的前提下扩展语法^[9][2]。

发展历程

Scheme 的源头可追溯至约翰·麦卡锡在 20 世纪 50 年代末设计的 Lisp，该语言用少量算子与借鉴自阿隆佐·邱奇 λ 记法的匿名函数，构造出图灵完备的系统^[1][10]。1973 年，麻省理工学院的卡尔·休伊特提出演员模型，萨斯曼与史提尔为理解该模型在 Maclisp 环境中编写微型解释器，并由此意识到实现演员的关键在于把词法作用域引入 Lisp^[1]。

1975 年，2 人完成新型 Lisp 解释器，并将在其上实现的演员模型微缩版命名为 Schemer，后因 ITS 操作系统文件名长度限制改称 Scheme^[1]。同年 12 月，他们发表 AI 备忘录《Scheme: An Interpreter for Extended Lambda Calculus》，这是该语言的首次描述^[11][12]。

1978 年，2 人发表《修订的 Scheme 报告：一种 LISP 方言》，随着麻省理工学院的实现升级为编译器，语言功能趋于完备，Scheme 由此被确立为 Lisp 的主要方言之一^[12][1]。1981 年至 1982 年间，麻省理工学院、耶鲁大学与印第安纳大学各自开展项目，将 Scheme 的变体用于课程教学^[12]。

由于各地实现逐渐分化，1984 年 10 月，15 个主要实现的代表集会，推动制定更广为接受的标准，随后选出由艾伦·鲍登、盖伊·史提尔与米奇·万德组成的指导委员会^[12]。此后形成一系列名为《关于算法语言 Scheme 的第 n 次修订报告》的文件，通称 RnRS：R1RS 于 1978 年、R2RS 于 1985 年、R3RS 于 1986 年、R4RS 于 1991 年、R5RS 于 1998 年、R6RS 于 2007 年发布^[4]。此外还有一份由电气与电子工程师协会批准的 IEEE 1178-1990 标准，内容接近 R5RS^[13]。

R6RS 因体量较大、偏离极简取向而引发争议。2009 年，负责监督标准化的指导委员会提出将 Scheme 分为面向实用的大型语言与面向研究的小型语言两层^[14]。小型层最终以 R7RS-small 形式于 2013 年 7 月定稿，而大型层至今仍在推进^[13][15]。标准之外，社区还通过 SRFI（Scheme 实现请求）流程发展库层面的约定^[16][17]。

在总结这段历史时，萨斯曼与史提尔于 1998 年表示，极简并非当初有意设定的目标，而是设计过程带来的意外结果：他们发现 λ 演算这一小而简单的形式系统足以充当富有表达力的语言核心^[6]。

应用

Scheme 最主要的用途是计算机科学教育。麻省理工学院等院校曾用它讲授程序设计入门课程，教材《计算机程序的构造和解释》（SICP）即以 Scheme 阐释程序设计思想^[1][18]。除 SICP 外，还有《Simply Scheme》等以该语言为教学载体的教材^[19]。

在软件工程中，Scheme 常被嵌入宿主程序充当脚本或扩展语言。GNU 工程的 Guile 即为 Scheme 的一种实现，可作为库链接进应用程序，许多自由软件与开源软件将其作为内置脚本语言使用^[20][21]。

该语言还用于人工智能与符号计算领域，例如交互式符号数学程序 JACAL 即以可移植 Scheme 写成，并依赖 SLIB 库^[19]。由于头等续体可用来构造非局部退出、协程、异常处理等控制机制，Scheme 也常被当作研究控制流与编译技术的实验平台^[7]。

局限

Scheme 的实现数量众多既是优势也是负担。不同实现之间的差异使代码移植困难，Scheme 指导委员会曾称其为「世上最不可移植的编程语言」，并认为它更像一个语言家族而非单一语言^[1]。由于标准规定的库很少，实际开发往往需要先选定实现，可用库的范围随之确定^[22]。

标准层面的分歧同样明显。R6RS 与 R3RS、R4RS、R5RS 不兼容，按早期标准编写的程序无法不加修改地在 R6RS 实现上运行^[19]。R6RS 为禁止实现自行扩展词法与库语法而设的绝对要求，也使部分实现默认运行于非严格符合模式^[23]。

在性能方面，早期实现多基于解释器，速度较慢；后续实现通过编译器优化改善了这一状况^[3]。头等续体功能强大，但滥用会使程序控制流难以理解，有批评者将其形容为经过美化的 goto^[8]。此外，极简标准与商用语言生态相比缺少统一的库集合与商业支持，这也是其在工业界应用范围有限的原因之一^[22]。

参见

• Lisp —— Scheme 所属的语言家族，其语法与同像性特征直接来自 Lisp。

• Common Lisp —— 与 Scheme 并列的 Lisp 另一主要方言，设计取向偏重功能完备。

• λ演算 —— Scheme 语义所依据的形式系统，函数定义与函数应用规则均源自于此。

• 计算机程序的构造和解释 —— 以 Scheme 为教学语言的程序设计入门教材。

• GNU Guile —— Scheme 的一种实现，常用作自由软件的扩展与脚本语言。

• 续体 —— call/cc 所操作的对象，用于表达非局部控制流。