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导读

本文以 Carp 仓库中 docs/DynamicSemantics.md 为核心骨架，系统讲解 Carp 的“动态语言”部分：即解释执行、带垃圾回收、用于宏展开与编译期计算的那一层。文章覆盖动态/静态语义的术语体系、词法作用域与命名空间规则、全局与局部变量的可变性、各类定义形式（defndynamic/defdynamic/defmacro等）、求值规则、宏与准引用（quasiquotation）、REPL 的上下文切换，以及当前实现迁移到 VM 架构后的源码级现状。读完本文，你将掌握 Carp 动态层与静态层的边界、符号查找与set!赋值规则、闭包语义，并能理解src/Eval.hs、src/EvalVM.hs等核心模块的求值管线。

文档定位：历史目标与当前实现

docs/DynamicSemantics.md最初描述的是 Carp 动态求值器“重写”的历史目标：修复动态求值中发现的各类 bug、补齐一个动态 Lisp 应有的缺失特性，并让求值器在未来易于扩展。

该目标已实现——Carp 的动态求值器如今是VM 后端（VM-backed）架构。对于当前实现的架构总览，请阅读 docs/EvaluatorVM.md；本文在讲解语义规则的同时，也会同步标注当前实现的源码位置，使历史语义目标与实际代码一一对应。

0. 本文使用的基本术语

docs/DynamicSemantics.md定义了四个贯穿全文的基本术语：

理解“两层”的划分是读懂 Carp 的关键：静态层最终被编译为 C 并在运行时执行，动态层则运行在编译器中（宏展开、REPL、构建系统配置均发生在此层）。动态层与静态层共享模块，但动态查找只会找到动态函数，静态查找只会找到静态函数。

1. 作用域规则（Scoping Rules）

1.1 符号如何取值：词法作用域

Carp 采用词法作用域（lexical scoping）：查找符号 X 的值时，先查当前作用域，再逐层向外，直到全局作用域。能够创建作用域的结构包括：

• 函数定义（defn、defndynamic、fn）
• let绑定
• 模块（defmodule）

这意味着符号的可见性完全由源码的词法结构决定，不存在任何动态作用域。

1.2 如何给符号赋值：set!

赋值使用统一的set!形式：

(set! <symbol> <value>)

在源码层面，set!由specialCommandSet实现（见 src/Eval.hs），它会先在内部环境（局部）中查找符号，再回退到全局环境，并根据绑定是动态还是静态类型决定是否做类型检查；动态或无类型的绑定走handleUnTyped分支（不检查类型），静态绑定则会对新值做类型核对。

1.3 保留名（Reserved Names）

Carp 存在一组保留名（详见 Parsing 模块）：

defn、def、do、while、fn、let、break、if、match、true、false、address、set!、the、ref、deref、with

此外，defmacro中的:resttoken 也是保留的。文档同时指出，“更多东西应该被移入保留列表”——即这份清单本身是演进中的。

1.4 关键字（Keywords）

动态语义的原始设计中**没有关键字（keyword）**这一概念；文档提及一种可能的宏实现方案（类似带冒号前缀的 token），但这属于历史探讨，当前仓库的宏系统并未引入关键字。

1.5 动态与静态是否使用不同的命名空间

动态 Carp 与静态 Carp共享同一套模块结构，区别只在于查找范围：动态查找只命中动态函数（defndynamic、宏展开期的命令等），静态查找只命中静态函数（defn等）。

1.6 全局变量

关于全局变量，docs/DynamicSemantics.md明确回答：

• 全局变量可变：可以。
• 如何修改、何时生效：用set!修改，内部基于 IORef，立即生效。
• 作用域类型：词法作用域（任何东西都没有动态作用域）。

在测试中可以看到这一语义的直接验证：test/dynamic-closures.carp 中先(defdynamic x 400)，闭包closure-one捕获x，随后顶层(set! x 1000)，断言闭包读取到的是1000（“closures over global variables get the global variable's latest state”），印证了全局变量在闭包中读到的是最新状态。

1.7 局部变量与闭包

• 局部变量可变：可以。
• 进入/离开作用域时机：遵循词法作用域规则，函数与let创建新变量。
• 闭包的重要规则：
  • 被捕获的变量不可变；
  • 动态 lambda 在(fn ...)形式被求值的时刻捕获整个环境。

test/dynamic-closures.carp 对闭包语义给出了系统化验证：

• 闭包可以捕获全局变量、函数参数、let绑定；
• 动态函数可以在其引用的全局变量尚未定义时先创建闭包（closure-four捕获后面才定义的y，最终读到500），说明闭包保存的是环境而非立即求值；
• 嵌套闭包优先使用闭合的内部环境（closure-five中let的x=5优先于全局x）；
• 闭包可以通过set!更新全局环境（closure-six连续三次(set! z (inc z))后读到3）。

这些测试位于 test/dynamic-closures.carp，是理解动态闭包语义最直接的样例。

1.8 命名空间规则

• 两个模块中出现同名符号a（Foo与Bar），用点号限定引用：Foo.a、Bar.a；用(use <module name>)可免去限定。
• 多个模块被导入且含同名符号时：查找该符号会得到运行时错误——因为无法解析为单一值。
• 若Foo.a与Bar.a都存在，裸符号a除非有且仅有一个模块被use，否则不指向任何一个；两个都被use时查找即报错。
• 函数与变量位于同一命名空间；类型位于不同的命名空间。

注意这与静态类型的多态推断有所不同：在静态上下文中，多个use的模块出现同名符号时，类型推断器会尝试依据类型消歧（见 docs/LanguageGuide.md 的“Modules and Name Lookup”一节）；而动态语义文档描述的规则是动态查找的基线行为。

1.9 定义形式（Definitions）

docs/DynamicSemantics.md将定义形式按上下文分为三类：

动态上下文：

• defndynamic：定义动态函数（编译期/REPL 可调用）
• defdynamic：定义动态全局变量
• defmacro：定义宏

静态上下文：

• defn：定义静态函数
• def：定义静态全局变量
• deftype：定义积类型（struct）与和类型（sumtype）
• register：注册外部 C 函数/变量

所有上下文：

• defmodule：组织模块

在源码中，这些形式分别由 src/Eval.hs 的primitiveDefdynamic、primitiveDefndynamic、primitiveDefmacro等 primitive 实现，例如defndynamic与defmacro都通过dynamicOrMacro构造形如(dynamic|macro name params body)的绑定。

2. 求值规则（Evaluation Rules）

docs/DynamicSemantics.md以问题清单的形式提出了求值规则的核心问题：宏何时求值、符号何时求值、form 何时求值、求值顺序是从左到右还是从右到左、错误报告如何工作。其中部分问题在当时尚无定论（对应章节留空），但当前的 VM 实现已经给出了明确答案，可对照 docs/EvaluatorVM.md 阅读。

2.1 三类可求值实体

当前实现将动态求值器面对的构造分为三类（详见 docs/Macros.md 的“Inner Workings”）：

• 特殊形式（special forms）：在 AST 中有独立表示、由求值器直接处理的构造，如fn、the，不能被当作值传递；
• 原语（primitives）：不求值其参数的普通 Carp 形式，类似用 Haskell 实现的内置宏，如defmacro、defn、quote，主要定义在 src/Primitives.hs；
• 命令（commands）：求值其参数、行为类似内置函数的普通 Carp 形式，如Project.config、car、cons，定义在 src/Commands.hs。

2.2 求值管线的当前实现

docs/DynamicSemantics.md提出的“易于扩展”“修复动态求值 bug”的目标，最终落地为一条清晰的 VM 管线（docs/EvaluatorVM.md）：

1. XObj降级为EvalIR（lowerExpr，见 src/EvalIR.hs）；
2. EvalIR编译为字节码EvalCode（compileEvalIR，见 src/EvalVM.hs）；
3. 执行字节码（runEvalCode）。

可调用对象要么被预编译（VMPrecompiled），要么首次调用时编译并缓存（VMCompileOnCall）。

公开入口集中在 src/Eval.hs：

evalDynamic :: Context -> XObj -> IO (Context, Either EvalError XObj) evalStatic :: Context -> XObj -> IO (Context, Either EvalError XObj) eval :: Context -> XObj -> LookupPreference -> IO (Context, Either EvalError XObj)

其中evalDynamic以PreferDynamic模式执行，evalStatic以PreferGlobal模式执行，eval则接受显式的LookupPreference（定义见 src/EvalTypes.hs）：

data LookupPreference = PreferDynamic | PreferGlobal | PreferLocal (Set.Set String) (Map.Map Int XObj) (Map.Map String Int) EvalExecMode

模式决定符号查找与可调用对象的编译策略：函数模式（PreferLocal ... ExecFunction）要求局部槽位存在并快速失败；动态与宏模式（ExecDynamic/ExecMacro）保持对动态友好的查找行为。字节码指令集包括栈/值操作（IPushConst、IMakeArray、IMakeStaticArray、IDrop）、控制流（IJumpIfFalseRel、IJumpRel、IHalt、ITrap）、符号/调用分发（IResolveSymbol、IExecCallSymbol、IExecCall）以及特殊形式执行指令（IExecLet、IExecFn、IExecWhile、IExecWith、IExecSet）。

2.3 求值顺序

Carp 的调用参数遵循从左到右的求值顺序（Lisp 惯例）；宏则不求值其参数（宏参数以原始 form 传入宏体）。在 VM 中，IExecCallSymbol/IExecCall同时携带原始参数 IR 与预编译的参数代码，使非宏参数求值在热路径上避免递归重新进入 IR，从而兼顾顺序语义与性能。

2.4 符号解析模型

编译阶段为每个符号分配一个ResolverHandle：RHLocalSlot（局部槽位）、RHGlobal（全局）、RHDynamic（动态）、RHQualified（限定）、RHUnqualified（未限定）。opcode 循环先按 handle 形状解析，仅在语义需要时才回退到更宽的查找。符号解析缓存以(contextBindingEpoch, symbolId)为键，环境状态变化时通过contextBindingEpoch使缓存失效。

2.5 错误报告

EvalError在动态求值器遇到错误时产生，由错误消息与元信息（traceback 与源码位置）组成；Context中维护了求值帧历史用于生成 traceback。reportExecutionError（src/Eval.hs）会根据contextExecMode（Check/Repl/Build/BuildAndRun/Install）决定是打印错误还是抛出异常终止。

3. 宏系统：从“缺失特性”到现行实现

docs/DynamicSemantics.md的“Desired features (currently missing)”清单包含：动态语言与宏系统的使用文档、完整的宏设施（准引用、拼接、完整错误报告等）、动态堆栈跟踪、用户定义名的自动补全。其中的宏设施与文档需求已经实现，详见 docs/Macros.md 与 docs/Quasiquotation.md。

3.1 defmacro 与动态函数

宏用defmacro定义，参数在调用时不求值，而是以原始 form 传入：

(defmacro apply [f args] (cons f args)) (apply + (1 2)) ; => (+ 1 2) (apply Array.replicate (5 "hello")) ; => (Array.replicate 5 "hello")

对应的动态函数版本用defndynamic（参数会被求值，调用时需要手动 quote）：

(defndynamic apply [f args] (cons f args)) (apply '+ '(1 2)) ; => (+ 1 2) (apply 'Array.replicate '(5 "hello")) ; => (Array.replicate 5 "hello")

宏还支持可变参数（rest arguments），以:rest声明“catch-all”尾参：

(defmacro apply-or-sym [head :rest tail] (if (= (length tail) 0) head (cons head tail))) (apply-or-sym *global*) ; => *global* (apply-or-sym + 1 2) ; => (+ 1 2)

3.2 准引用（Quasiquotation）

docs/Quasiquotation.md说明：准引用只在动态部分可用，它把列表的大部分保持为未求值，同时允许用unquote插入求值结果：

(defdynamic x 2) (quasiquote (+ (unquote x) 1)) ; => (+ 2 1) ; 字面量简写：quasiquote 为 `，unquote 为 % `(+ %x 1) ; => (+ 2 1)

拼接（splicing）用unquote-splicing（简写%@），将一个列表扁平展开：

(defdynamic x '(1 2)) (quasiquote (+ (unquote-splicing x))) ; => (+ 1 2) `(+ %@x) ; => (+ 1 2) ; unquote 变体内部可以使用任意表达式 `(+ %@(map inc [1 2])) ; => (+ 2 3)

准引用可以嵌套：每个quasiquote使嵌套层级 +1，每个unquote/unquote-splicing使层级 −1，只有降到 0 层的表达式被求值：

``(x %%(* 2 2)) ; => `(x %4) ``(x %(* 2 2)) ; => `(x %(* 2 2))

在unquote之外使用unquote会在宏展开期报错。注意docs/Macros.md的历史说明曾称“未实现 quasiquoting”，该功能随后在 core/Macros.carp 及求值器中落地，(info Dynamic)可以查看动态模块中的全部可用函数。

4. REPL：动态与静态上下文的切换

docs/DynamicSemantics.md提出的问题——REPL 如何知道在动态还是静态上下文求值、何时决定运行给定代码——由 src/Eval.hs 的executeStringAtLine/executeCommand回答：

• REPL 逐条解析输入并执行命令；普通表达式默认走evalDynamic（动态求值），因此defndynamic/defdynamic/defmacro与car、cons等动态操作在 REPL 中直接可用；
• 对于顶层的defn/def静态绑定，executeStringAtLine会先识别静态绑定集合（staticBindingName），若存在则走processFormsWithForwardRefs分支，以支持文件内跨定义顺序的正向引用与相互递归（参见 docs/LanguageGuide.md）；
• 求值main定义或静态函数调用时，executeCommand会构造“build + run”序列（withBuildAndRun），触发编译与运行（HasStaticCall时走callFromRepl）；
• 若求值结果非UnitTy，REPL 以=> <value>的形式打印（prettyDynamic还会识别动态 map 的桶列表并按{k v ...}格式化）。

动态/静态两层因此不是两套独立 REPL，而是同一 REPL 依据 form 形态自动分发的两条执行路径。

5. 类型（Types）

docs/DynamicSemantics.md第 3 节围绕类型提出问题：可用类型有哪些、form 何时被类型检查、类型是否是一等公民。

回答可归纳为：

• 静态类型由类型推断得出，可用the显式标注（(the Int x)），详见 docs/LanguageGuide.md；可用的类型字面量包括Int、Long、Float、Double、Byte、Bool、String、Pattern、Char、(Array t)、(Map k v)、(Fn [args...] ret)等；
• 动态层独有的数据字面量是列表(1 2 3)与符号foo——它们只存在于非编译代码中，静态层没有；
• 类型检查的时机：动态求值时，set!对静态绑定会调用typeCheckValueAgainstBinder做类型核对；对defn/def等静态绑定，则经过annotateWithinContext的完整标注流程（含宏展开、限定与推断）。也就是说，动态层本身不做类型推断，但负责把需要静态处理的 form 交给标注/推断管线；
• 类型与值分属不同命名空间：函数与变量同在一个值命名空间，类型在独立的类型环境（contextTypeEnv）中，因此类型名称与值名称可以共存。docs/DynamicSemantics.md以“一等公民”提问，从当前实现看，类型作为编译期实体由deftype/类型环境管理，而非动态值。

6. 维护者视角：如何安全地改动求值器

docs/EvaluatorVM.md给出了与动态语义改动配套的工程准则，可作为实践补充：

1. 先判定改动性质：是纯实现细节，还是有意变更语言语义；
2. 保持外部形态：若是实现性改动，保留外部 form 形态与错误表面（动态/宏定义保持(dynamic|macro name params body)外层形态）；
3. 同步测试：扩展 test/TestEvalIR.hs、test/TestEvalSlotLowering.hs、test/TestEvalVM.hs、test/TestEvalVMCore.hs；
4. 回归宏与闭包场景：运行 test/macros.carp 与 test/dynamic-closures.carp；
5. 基准对比：运行 bench/run-evaluator-bench.sh，比较多次运行的中位数而非单次结果。

此外，docs/EvaluatorVM.md 明确指出：求值器 VM 是编译器的内部基础设施，不是用户运行时 VM，它不改变 Carp 已编译代码的执行模型——这与“Dynamic Carp 是编译期解释层”的历史定位完全一致。

小结

Carp 的动态语义可以浓缩为几条核心规则：词法作用域、无动态作用域；全局与局部变量均可变，set!立即生效；闭包捕获创建时的整个环境，且被捕获变量不可变；函数与变量同一命名空间、类型独立命名空间；动态查找与静态查找共享模块但互不越界；defndynamic/defdynamic/defmacro构成动态上下文，defn/def/deftype/register构成静态上下文。这些规则在 docs/DynamicSemantics.md 中以问答形式确立，并通过 VM 求值器（src/EvalVM.hs、src/EvalIR.hs、src/Eval.hs）落地为可运行的实现，辅以 test/dynamic-closures.carp 等测试对闭包、全局变量最新状态等语义做了精确验证。对编译期编程感兴趣的用户，可继续阅读 docs/Macros.md、docs/Quasiquotation.md 与 docs/EvaluatorVM.md。

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