Easy Forth：在浏览器中了解REPL

这本小电子书在这里教您一种称为Forth的编程语言。 Forth与大多数其他语言不同。它不是功能性的也不是面向对象的，它不需要类型检查，并且基本上具有零语法。它写于70年代，但今天仍用于某些应用。

您为什么要学习这种奇怪的语言？您学习的每种新编程语言都可以帮助您以新的方式思考问题。 Forth很容易学习，但是它要求您以不同于以往的方式思考。这使它成为扩展您的编码视野的理想语言。

本书包括我用JavaScript编写的Forth的简单实现。它绝不是完美的，并且缺少您在realForth系统中期望的许多功能。只是这里为您提供了一种简单的方法来尝试示例。 （如果您是Forth专家，请在此处做出贡献并使其变得更好！）

我将假设您至少知道另一种编程语言，并对堆栈如何作为数据结构有一个基本的了解。

将Forth与其他大多数语言区分开来的是它对堆栈的使用。在Forth中，一切都围绕着堆栈旋转。每当您键入数字时，它都会被压入堆栈。如果要将两个数字加在一起，则键入+会将堆栈中的前两个数字相加，将它们相加，然后将结果放回堆栈中。

让我们来看一个例子。在解释器中键入以下内容（不要复制粘贴），在每行之后键入Enter。

每次您键入一行，然后按Enter键，Forth解释器都会执行该行，并附加字符串ok以使您知道没有错误。您还应该注意，在执行每一行时，顶部的区域会充满数字。该区域是我们对堆栈的可视化。它应该看起来像这样：

现在，在同一个解释器中，键入单个+，然后按Enter键。堆栈中的顶部两个元素2和3已被5取代。

再次输入+并按Enter键，前两个元素将替换为6。如果再输入+一遍，即使堆栈上只有一个元素，Forth也会尝试将前两个元素弹出堆栈。这导致堆栈下溢错误：

Forth不会强制您将每个令牌单独输入。在下一个编辑器中键入以下内容，然后按Enter键：

运算符出现在操作数之后的这种样式称为“反向波兰语注释”。让我们尝试一些复杂的事情，并计算10 *（5 + 2）。在解释器中键入以下内容：

Forth的优点之一是操作顺序完全基于程序中的顺序。例如，执行52 + 10 *时，解释器将5压入堆栈，然后加2，然后将它们相加并推入结果7，然后将10压入堆栈，再乘以7和10。因此，不需要给低优先级的组运算符加上括号。

大部分Forth单词都会以某种方式影响堆栈。有些从堆栈中取出值，有些将新值保留在堆栈中，有些则将两者混合。这些“堆栈效应”通常使用以下形式的注释来表示（之前-之后）。例如，+是（n1 n2-sum）-n1和n2是堆栈中的前两个数字，而sum是堆栈中剩余的值。

Forth的语法非常简单。 Forth代码被解释为一系列空格分隔的单词。几乎所有非空白字符在单词中都是有效的。当Forth解释器读取一个单词时，它将检查是否在称为字典的内部结构中存在定义。如果找到，则执行该定义。否则，假定该单词为数字，并将其压入堆栈。如果单词不能转换为数字，则会发生错误。

foo？表示Forth无法找到foo的定义，并且不是有效数字。

我们可以使用两个特殊词创建自己的foo定义：：（colon）和; （分号）。 ：是告诉Forth我们要创建定义的方式。 ：之后的第一个单词成为定义名称，其余单词（直到;为止）组成了定义的主体。通常，在名称和定义的正文之间包含两个空格。尝试输入以下内容：

警告：常见的错误是错过;之前的空格。单词。因为前言是用空格分隔的并且可以包含大多数字符，所以是一个完全有效的单词，不会解析为两个单独的单词。

如您所希望的那样，我们的foo字仅会将100加到栈顶的值。它不是很有趣，但是应该让您了解简单定义的工作方式。

现在，我们可以开始研究Forth的一些预定义单词。首先，让我们来看一些用于操纵堆栈顶部元素的词语。

dup是“ duplicate”的缩写–它复制堆栈的顶部元素。例如，尝试一下：

您可能已经猜到了交换，交换堆栈的前两个元素。例如：

over不太明显：它从堆栈顶部获取第二个元素并将其复制到堆栈顶部。运行此：

最后，腐烂“旋转”了堆叠的前三个元素。从堆栈顶部开始的第三个元素移到堆栈顶部，将其他两个元素向下推。

Forth中最简单的输出单词是..您可以使用。在当前行的输出中输出堆栈的顶部。例如，尝试运行此（确保包括所有空格！）：

1。 2。 3。 4 5 6。 。 。 1 2 3 6 5 4好

按顺序进行此操作，我们按1，然后将其弹出并输出。然后，对2和3进行相同的操作。接下来，将4、5和6压入堆栈。然后将它们弹出并一个接一个地输出。这就是为什么输出中的最后三个数字相反：堆栈是后进先出。

可以用于将数字输出为ASCII字符。就像 。输出堆栈顶部的数字，以asciicharacter的形式输出该数字。例如：

在这里我不会给出输出，以免破坏惊喜。也可以写成：

与。不同，emit不会在每个字符后输出任何空格，从而使您能够构建任意的输出字符串。

最后，我们有了。＆＃34; –输出字符串的特殊词。 。＆＃34;在交互模式下，单词在定义中的作用不同。 。＆＃34;标记要输出的字符串的开头，并用＆＃34;标记字符串的结尾。结束词不是一个单词，因此不需要用空格分隔。这是一个例子：

：打印堆栈顶部cr dup。＆＃34;堆栈的顶部是＆＃34; 。 cr。＆＃34;看起来像＆＃39;＆＃34; dup发出。＆＃34; ＆＃39;在ascii＆＃34;中; 48打印堆栈顶部

48 print-stack-top栈顶是48，看起来像＆＃39; 0＆＃39;。在ascii中

现在到有趣的东西！像大多数其他语言一样，第四语言具有条件和循环来控制程序的流程。要了解它们的工作原理，首先，我们需要了解Forth中的布尔值。

实际上，Forth中没有布尔类型。尽管规范的true值为-1（所有布尔运算符返回0或-1），但数字0被视为false，其他任何数字均为true。

您可以使用＆lt;和＆gt;小于和大于。 ＆lt;检查堆栈顶部的第二个项目是否小于堆栈顶部的项目，反之亦然，对于＆gt ;：

3 4＆lt; 20 30＆lt;和.3 4＆lt; 20 30＆gt;或.3 4＆lt;反转。

第一行等于3＆lt; 4和20＆lt; 30基于C的语言。第二行等效于3＆lt; 4 | 20＆gt; 30.第三行等于！（3＆lt; 4）。

and，or和invert都是按位运算。对于格式正确的标记（0和-1），它们可以按预期工作，但对于任意数字，它们给出的结果将不正确。

现在我们终于可以使用条件了。 Forth中的条件只能在定义内部使用。 Forth中最简单的条件语句是ifthen，它相当于大多数语言中的标准if语句。以下是使用if then的定义示例。在此示例中，我们还使用了mod单词，该单词返回堆栈中前两个数字的模。在这种情况下，最上面的数字是5，另一个是在调用buzz？之前放在堆栈上的内容。因此，5 mod 0 =是一个布尔表达式，用于检查堆栈的顶部是否可被5整除。

请务必注意，“ the”一词标记了if语句的结尾。例如，这等效于Bash中的fi或Ruby中的end。

要意识到的另一件重要事情是，如果if在检查真假时消耗了栈顶值。

if else then在大多数语言中等效于if / else语句。这是其用法的一个示例：

：是零吗？ 0 =如果。＆＃34;是的！＆＃34;其他。＆＃34;不！＆＃34;那么; 0是零？1是零？2是零？

这次，if子句（后续）是if和else之间的所有内容，而else子句（替代）是else和then之间的所有内容。

在Forth中，do循环与大多数基于C的语言中的for循环非常相似。在do循环的主体中，特殊字i将当前循环索引压入堆栈。

堆栈中的前两个值给出i值的起始值（包括）和结束值（不包括）。起始值取自堆栈的顶部。这是一个例子：

：嘶嘶声？ 3 mod 0 = dup如果。＆＃34;嘶嘶声然后；：嗡嗡声？ 5 mod 0 =如果。＆＃34;嗡嗡声然后；：嘶嘶声？ dup嘶嘶声？交换嗡嗡声？或反转；：做嘶嘶声25 1我做嘶嘶声吗？如果我 。然后循环;做嘶嘶声

嘶嘶声？使用3 mod 0 =检查栈顶是否被3整除。然后，它使用dup复制此结果。该值的顶部副本由if占用。第二个副本留在堆栈上，用作fizz？的返回值。

如果堆栈顶部的数字可被3整除，则字符串＆＃34; Fizz＆＃34;将被输出，否则将没有输出。

嘶嘶声？调用dup复制堆栈顶部的值，然后调用fizz ?，将顶部副本转换为布尔值。之后，堆栈的顶部由原始值组成，并且由fizz？返回的布尔值。 swap交换这些，因此原始的栈顶值又回到顶部，而布尔值在下面。接下来我们称为buzz ?，它将布尔值替换为栈顶值。现在，堆栈上的前两个值是布尔值，表示该数字是3还是5可以整除。此后，我们调用或查看其中两个值是否为真，然后求反以取反该值。逻辑上，fizz-buzz的主体？等效于：

因此，嘶嘶声？返回一个布尔值，指示该参数是否不能被3或5整除，因此应该被打印。最后，fizz-buzz从1循环到25，调用fizz-buzz？在i上，如果发出嘶嘶声，则输出i，返回true。

如果您在弄清楚fizz-buzz内部发生了什么情况？，下面的示例可能会帮助您了解其工作原理。我们要做的就是执行fizz-buzz定义中的每个字吗？在单独的行上。执行每一行时，请观察堆栈以查看其变化：

：嘶嘶声？ 3 mod 0 = dup如果。＆＃34;嘶嘶声然后；：嗡嗡声？ 5 mod 0 =如果。＆＃34;嗡嗡声然后; 4dupfizz？swbbuzz？或反转

4 4＆lt;-Topdup 4 4＆lt;-Topfizz吗？ 4 0＆lt;-Topswap 0 4＆lt;-Topbuzz？ 0 0＆lt;-Topor 0＆lt;-Topinvert -1＆lt;-Top

请记住，堆栈上的最终值是fizz-buzz？word的返回值。在这种情况下，这是事实，因为数字不能被3或5整除，因此应打印出来。

5 5＆lt;-Topdup 5 5＆lt;-Topfizz吗？ 5 0＆lt;-Topswap 0 5＆lt;-Topbuzz？ 0 -1＆lt;-Topor -1＆lt; Topinvert 0＆lt;-Top

在这种情况下，原始栈顶值可被5整除，因此不应打印任何内容。

Forth还允许您将值保存在变量和常量中。变量使您可以跟踪更改的值，而不必将其存储在堆栈中。常量为您提供了一种引用不变值的简单方法。

由于局部变量的作用通常由堆栈承担，因此Forth中的变量更多地用于存储跨多个字可能需要的状态。

这基本上将特定的存储位置与名称平衡相关联。平衡现在是一个词，它所做的就是将其内存位置推入堆栈：

您应该在堆栈上看到值1000。此Forth实施任意开始在存储位置1000处存储变量。

这个单词 ！在变量引用的存储位置存储一个值，而单词@从存储位置获取该值：

这次，您应该在堆栈上看到值123。 123 balance将值和存储位置压入堆栈，然后！将该值存储在该内存位置。同样，@根据内存位置检索值，并将该值压入堆栈。如果您使用过C或C ++，则可以将balance视为由@取消引用的指针。

这个单词 ？定义为@。并显示变量的当前值。单词+！用于将变量的值增加一定量（例如，基于C的语言中的+ =）。

可变余额ok123余额！好平衡吗？ 123 ok50余额+！ okbalance？ 173好

如果您的值不变，则可以将其存储为常量。常量在一行中定义，如下所示：

这将创建一个新的常量，其值为42。与变量不同，常量仅表示值，而不是存储位置，因此无需使用@。

运行此命令会将值84压入堆栈。答案就像是它代表的数字一样（就像其他语言中的常量和变量一样）。

Forth并不完全支持数组，但确实允许您分配连续内存区域，就像C语言中的数组一样。要分配此内存，请使用分配字。

可变数字3个单元分配10个数字0个单元格+20个数字1个单元格+30个数字2个单元格+40个数字3个单元格+！

本示例创建一个称为数字的存储位置，并在该位置之后保留三个内存单元，总共有四个存储单元。 （celljust乘以cell-width，在此实现中为1。）

数字0 +给出数组中第一个单元的地址。 10个数字0 +！将值10存储在数组的第一个单元格中。

变量个数3个单元分配：个（偏移量-addr）个单元号+; 10 0号！20 1号！30 2号！40 3号！2号？

number将一个偏移量转换为数字，然后返回该偏移量处的内存地址。 30 2号！在数字2的偏移量2处存储30，而数字2则在数字2偏移量处打印值。

Forth有一个叫做key的特殊单词，用于接受键盘输入。执行该关键字时，执行会暂停直到按下某个键为止。按下某个键后，该键的键代码将被压入堆栈。请尝试以下操作：

运行此行时，您会发现起初没有任何反应。这是因为解释器正在等待您的键盘输入。尝试按A键，您应该看到该键的键码65在当前行上显示为输出，现在按B键，然后按C键，您应该看到以下内容：

Forth有另一种循环，称为begin until。在基于C的语言中，这就像while循环一样。每次碰到“直到”一词时，解释器都会检查堆栈的顶部是否非零（真）。如果是，它将跳回到匹配的开始。如果不是，则继续执行。

这将一直打印关键代码，直到您按空格键为止。您应该会看到以下内容：

打印键码80 82 73 78 84 189 75 69 89 67 79 68 69 32 ok

key等待键输入，然后dup复制key中的键代码。然后使用。输出键码的最上面的副本，并使用32 =检查键码是否等于32。如果是，则跳出循环，否则循环返回。

现在是时候将它们组合起来并制作游戏了！我没有输入所有代码，而是将其预加载到编辑器中。

在查看代码之前，请尝试玩游戏。要开始游戏，请执行单词start。然后使用箭头键移动蛇。如果输了，可以重新开始跑步。

可变的snake-x-head500单元分配的可变的snake-y-head500单元分配的可变的apple-x变量的苹果y0恒定的左1恒定的向上2恒定的右3恒定的向下24恒定的宽度24恒定的高度24可变的高度可变的方向可变长度：蛇形x（偏移量-地址）单元格蛇形x-头+;：蛇y（偏移-地址）单元蛇y-头+;：转换xy（XY-偏移）24单元* +;：绘制（颜色xy-）转换xy图形+！ ; ::绘制白色（xy-）1腐烂绘制;：绘制黑色（xy-）0腐烂绘制;：绘制墙宽度0做我0绘制黑色i高度1-绘制黑色循环高度0做0我画黑色宽度1-我画黑色循环;：初始化蛇4长度！长度@ 1 + 0做12 i-i snake-x！ 12我是蛇！向右循环！ ;：set-apple-position apple-x！苹果！ ;：初始化苹果4 4 set-apple-position;：初始化宽度0做高度0做j我画白循环画壁初始化蛇初始化苹果;：上移-1蛇头+！ ;：左移-1蛇x头+！ ;：向下移动1个蛇头+！ ;：右移1个蛇x头+！ ;：蛇头方向@左移=如果左移否则上移=如果上移否则右移=如果右移否则向下移=如果先移下然后然后下降; \移动每个段一条蛇向前移动：蛇尾0长度@我是否蛇x @我1 +蛇x！我是y蛇@我是1 + y蛇！ -1 + loop;：水平方向@ dup左=交换右=或;：等垂直方向@ dup up =向下交换=或;：如果向上方向，则向上呈水平！然后;：如果向左，则向左转为垂直！然后;：如果向下方向，则将水平调低！然后;：如果方向正确，则向右转为垂直！然后;：改变方向（键-）37 over =如果是左转，否则38 over =如果是转弯，否则39 over =如果是右转，否则40 over =如果是转弯，然后再下降;： -输入last-key @ change-direction 0 last-key！ ; \在可玩区域内获取随机的x或y位置：随机位置（-pos）宽度4-随机2 + ;;：移动苹果apple-x @ apple-y @绘制白色随机位置random-set-苹果位置;：蛇1长度+！ ;：检查苹果蛇x头@苹果x @ =蛇y头@苹果y @ =并且如果移动苹果长蛇则;：检查碰撞（-标志）\得到当前x / y位置蛇形x头@蛇形y头@ \在当前位置获取颜色convert-xy图形+ @ \在堆栈0上保留布尔标志0 =;：绘制蛇形长度@ 0我是否是蛇形x @蛇-y @绘制黑色循环的长度@蛇-x @长度@蛇-y @绘制白色;：绘制苹果apple-x @苹果-y @绘制黑色;：游戏循环（-）开始绘制-snake draw-apple 100睡眠检查输入-snake-tail移动-snake-head检查苹果检查冲突，直到。＆＃34;游戏结束;：开始初始化游戏循环；

在我们深入研究此代码之前，有两个免责声明。首先，这是可怕的代码。我绝不是Forth专家，所以可能我完全以错误的方式做各种事情。其次，该游戏使用了一些非标准技术来与JavaScript交互。我现在将详细介绍这些。

您可能已经注意到，此编辑器与其他编辑器不同：它内置了HTML5Canvas元素。我创建了一个非常简单的内存映射界面，可以将其绘制到此画布上。 画布分为24 x 24“像素”，可以是黑色或白色。 第一个像素位于变量图形给定的内存地址处，其余像素与变量偏移。 因此，例如 ......