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用 C 语言开发一门编程语言 — 变量的设计与实现

发布2023-03-14浏览1873次

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前言

通过开发一门类 Lisp 的编程语言来理解编程语言的设计思想,本实践来自著名的《Build Your Own Lisp》。

  • 代码实现:https://github.com/JmilkFan/Lispy

前文列表

用 C 语言开发一门编程语言 — 交互式解析器
用 C 语言开发一门编程语言 — 语法解析器运行原理
用 C 语言开发一门编程语言 — 波兰表达式解析器
用 C 语言开发一门编程语言 — 表达式存储器
用 C 语言开发一门编程语言 — 符号表达式解析器
用 C 语言开发一门编程语言 — 引用表达式解析器

变量

一门好的编程语言,需要支持多种类的的变量类型,让开发者可以灵活的命名变量以及定义变量的数据类型。我们接下来会在 Q-Expression 所带来的灵活性的基础之上。进一步定义出 “变量赋值符号“ 了。最终可以实现下述效果;

Lispy Version 0.1
Press Ctrl+c to Exit

lispy> def {x} 100
()
lispy> def {y} 200
()
lispy> x
100
lispy> y
200
lispy> + x y
300
lispy> def {a b} 5 6
()
lispy> + a b
11
lispy> def {arglist} {a b c d}
()
lispy> arglist
{a b c d}
lispy> def arglist 1 2 3 4
()
lispy> arglist
{a b c d}
lispy> list a b c d
{1 2 3 4}

    变量名的词法规则

    我们还是使用正则表达式来对变量名的词法规则进行约束。并且相较于 C 语言变量定义的严格约束,采用正则表达式的变量名设计会更加开放一些,开发者可以使用数字、字母、算术符号来组成一个变量名:

    /[a-zA-Z0-9_+\\-*\\/\\\\=<>!]+/
    
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    改造 MPC 语法解析器中的 Symbol Parser。在后续的演进中,Symbol(符号)就不再仅仅代表 Operator(操作符)了,而是更广泛的代表一个符号,包括:操作符、变量名、函数名等等。

    mpca_lang(MPCA_LANG_DEFAULT,
      "                                                     \
        number : /-?[0-9]+/ ;                               \
        symbol : /[a-zA-Z0-9_+\\-*\\/\\\\=<>!&]+/ ;         \
        sexpr  : '(' <expr>* ')' ;                          \
        qexpr  : '{' <expr>* '}' ;                          \
        expr   : <number> | <symbol> | <sexpr> | <qexpr> ;  \
        lispy  : /^/ <expr>* /$/ ;                          \
      ",
      Number, Symbol, Sexpr, Qexpr, Expr, Lispy);
    
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    变量的读取与存储

    变量存储器

    我们需要定义一个代表变量的结构体,用于存储所有的变量,我们将这个数据结构称为 Lispy Environment(环境)。每次打开一个新的交互式解析器时,就会创建一个新的 Lispy Environment,让开发者可以存储和再次调用已经定义好的变量。

    一个变量通常具有以下 3 个元素:

    1. 变量名
    2. 变量值
    3. 数据类型
    struct lenv {
      int    count;  // Env 中所包含的变量数目
      char** syms;   // 变量名指针数组
      lval** vals;   // 变量值指针数组,内含了数据类型描述
    };
    
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    再定义好 lenv 的构造函数和析构函数。

    lenv* lenv_new(void) {
      lenv* e = malloc(sizeof(lenv));
      e->count = 0;
      e->syms = NULL;
      e->vals = NULL;
      return e;
    }
    
    void lenv_del(lenv* e) {
      for (int i = 0; i < e->count; i++) {
        free(e->syms[i]);
        lval_del(e->vals[i]);
      }
      free(e->syms);
      free(e->vals);
      free(e);
    }
    
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    读取并存储变量

    接下来定义 2 个函数在 Lispy Environment 中读取并存储变量:

    1. lenv_get 变量输入读取函数:从 lval 中读取变量输入表达式。

      1. 检查变量输入是否合法;
      2. 如果符合就返回变量输入的拷贝;
      3. 如果不符合就返回一个错误信息。
    2. lenv_put 变量存储函数:

      1. 检查变量名是否存在;
      2. 如果存在就替换掉原先的变量值;
      3. 如果不存在就需要申请新的内存空间来存储数据。
    
    lval* lenv_get(lenv* e, lval* k) {
    
      /* Iterate over all items in environment */
      for (int i = 0; i < e->count; i++) {
        /* Check if the stored string matches the symbol string */
        /* If it does, return a copy of the value */
        if (strcmp(e->syms[i], k->sym) == 0) {
          return lval_copy(e->vals[i]);  // 该函数在后面实现。
        }
      }
      /* If no symbol found return error */
      return lval_err("unbound symbol!");
    }
    
    void lenv_put(lenv* e, lval* k, lval* v) {
    
      /* Iterate over all items in environment */
      /* This is to see if variable already exists */
      for (int i = 0; i < e->count; i++) {
    
        /* If variable is found delete item at that position */
        /* And replace with variable supplied by user */
        if (strcmp(e->syms[i], k->sym) == 0) {
          lval_del(e->vals[i]);
          e->vals[i] = lval_copy(v);
          return;
        }
      }
    
      /* If no existing entry found allocate space for new entry */
      e->count++;
      e->vals = realloc(e->vals, sizeof(lval*) * e->count);
      e->syms = realloc(e->syms, sizeof(char*) * e->count);
    
      /* Copy contents of lval and symbol string into new location */
      e->vals[e->count-1] = lval_copy(v);
      e->syms[e->count-1] = malloc(strlen(k->sym)+1);
      strcpy(e->syms[e->count-1], k->sym);
    }
    
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    将变量与表达式关联起来

    上文中,我们实现了变量的语法解析器和数据存储器。后面我们继续将变量和前文中实现的波兰表达式、符号表达式以及引用表达式关联起来。最终实现 “变量的表达式操作"。

    关联分发器实现

    我们通过定义一个关联分发器(lbuildin 函数指针)来将变量(lenv)和表达式(lval)统一整合到 lval 中,复用 lval 的处理框架,用于完成针对变量、操作符、数字、符号等不同对象的处理函数的分发。

    typedef lval* (*lbuiltin)(lenv*, lval*);
    
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    添加 lbuiltin 关联分发器类型。

    struct lval;
    struct lenv;
    typedef struct lval lval;
    typedef struct lenv lenv;
    
    /* 声明 lbuildin 函数指针 */
    typedef lval* (*lbuiltin)(lenv*, lval*);
    
    /* 新加 LVAL_FUN 类型 */
    enum { LVAL_ERR, LVAL_NUM, LVAL_SYM, LVAL_SEXPR, LVAL_QEXPR, LVAL_FUN };
    
    /* 新加 fun 成员 */
    struct lval {
      int      type;
      long     num;
      char*    err;
      char*    sym;
      int      count;
      lval**   cell;
      lbuiltin fun;
    };
    
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    实现 lbuiltin 的构造函数:

    lval* lval_fun(lbuiltin func) {
      lval* v = malloc(sizeof(lval));
      v->type = LVAL_FUN;
      v->fun = func;
      return v;
    }
    
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    在析构函数中,不需要对 LVAL_FUN 类型做特殊处理:

    case LVAL_FUN: break;
    
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    打印函数也要做相应的修改:

    case LVAL_FUN:   printf("<function>"); break;
    
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    最后,还需要提供一个 lval_copy 接口,让 lenv 用于从 lval 中读取数据。

    • 对于 Number 类型,只需要拷贝数值就好;
    • 对于 String 类型,则还需要考虑分配内存空间,然后将字符数组元素一个一个进行拷贝。
    lval* lval_copy(lval* v) {
    
      lval* x = malloc(sizeof(lval));
      x->type = v->type;
    
      switch (v->type) {
    
        /* Copy Functions and Numbers Directly */
        case LVAL_FUN: x->fun = v->fun; break;
        case LVAL_NUM: x->num = v->num; break;
    
        /* Copy Strings using malloc and strcpy */
        case LVAL_ERR:
          x->err = malloc(strlen(v->err) + 1);
          strcpy(x->err, v->err); break;
    
        case LVAL_SYM:
          x->sym = malloc(strlen(v->sym) + 1);
          strcpy(x->sym, v->sym); break;
    
        /* Copy Lists by copying each sub-expression */
        case LVAL_SEXPR:
        case LVAL_QEXPR:
          x->count = v->count;
          x->cell = malloc(sizeof(lval*) * x->count);
          for (int i = 0; i < x->count; i++) {
            x->cell[i] = lval_copy(v->cell[i]);
          }
        break;
      }
    
      return x;
    }
    
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    变量的运算

    在将 lenv 融入到 lval 的处理框架之后,lenv 就可以使用 lval 中已经实现的函数功能了,前提是还需要改造 lenv 的传递参数。

    lval* lval_eval(lenv* e, lval* v) {
      if (v->type == LVAL_SYM) {
        lval* x = lenv_get(e, v);
        lval_del(v);
        return x;
      }
      if (v->type == LVAL_SEXPR) { return lval_eval_sexpr(e, v); }
      return v;
    }
    
    lval* lval_eval_sexpr(lenv* e, lval* v) {
    
      for (int i = 0; i < v->count; i++) {
        v->cell[i] = lval_eval(e, v->cell[i]);
      }
    
      for (int i = 0; i < v->count; i++) {
        if (v->cell[i]->type == LVAL_ERR) { return lval_take(v, i); }
      }
    
      if (v->count == 0) { return v; }
      if (v->count == 1) { return lval_take(v, 0); }
    
      /* Ensure first element is a function after evaluation */
      lval* f = lval_pop(v, 0);
      if (f->type != LVAL_FUN) {
        lval_del(v); lval_del(f);
        return lval_err("first element is not a function");
      }
    
      /* If so call function to get result */
      lval* result = f->fun(e, v);
      lval_del(f);
      return result;
    }
    
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    因为引入 lenv 的同时也重新定义了 Symbol 的词法规则,所以还需要重新定义 builtin 函数路由器,并重新注册函数列表。

    lval* builtin_add(lenv* e, lval* a) {
      return builtin_op(e, a, "+");
    }
    
    lval* builtin_sub(lenv* e, lval* a) {
      return builtin_op(e, a, "-");
    }
    
    lval* builtin_mul(lenv* e, lval* a) {
      return builtin_op(e, a, "*");
    }
    
    lval* builtin_div(lenv* e, lval* a) {
      return builtin_op(e, a, "/");
    }
    
    void lenv_add_builtin(lenv* e, char* name, lbuiltin func) {
      lval* k = lval_sym(name);
      lval* v = lval_fun(func);
      lenv_put(e, k, v);
      lval_del(k); lval_del(v);
    }
    
    void lenv_add_builtins(lenv* e) {
      /* List Functions */
      lenv_add_builtin(e, "list", builtin_list);
      lenv_add_builtin(e, "head", builtin_head);
      lenv_add_builtin(e, "tail", builtin_tail);
      lenv_add_builtin(e, "eval", builtin_eval);
      lenv_add_builtin(e, "join", builtin_join);
    
      /* Mathematical Functions */
      lenv_add_builtin(e, "+", builtin_add);
      lenv_add_builtin(e, "-", builtin_sub);
      lenv_add_builtin(e, "*", builtin_mul);
      lenv_add_builtin(e, "/", builtin_div);
    }
    
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    最后我们需要在交互环境启动之前调用这些函数,当然在用完了之后还需要删除这些函数:

    lenv* e = lenv_new();
    lenv_add_builtins(e);
    
    while (1) {
    
      char* input = readline("lispy> ");
      add_history(input);
    
      mpc_result_t r;
      if (mpc_parse("<stdin>", input, Lispy, &r)) {
    
        lval* x = lval_eval(e, lval_read(r.output));
        lval_println(x);
        lval_del(x);
    
        mpc_ast_delete(r.output);
      } else {
        mpc_err_print(r.error);
        mpc_err_delete(r.error);
      }
    
      free(input);
    
    }
    
    lenv_del(e);
    
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    变量的定义与赋值

    最后,我们再实现变量的定义与赋值表达式。让开发者可以使用 {} 来定义自己的变量:

    • 如果定义是错的,将返回一个错误;
    • 如果定义是对的,将打印一个 ()
    lval* builtin_def(lenv* e, lval* a) {
      LASSERT(a, a->cell[0]->type == LVAL_QEXPR,
        "Function 'def' passed incorrect type!");
    
      /* First argument is symbol list */
      lval* syms = a->cell[0];
    
      /* Ensure all elements of first list are symbols */
      for (int i = 0; i < syms->count; i++) {
        LASSERT(a, syms->cell[i]->type == LVAL_SYM,
          "Function 'def' cannot define non-symbol");
      }
    
      /* Check correct number of symbols and values */
      LASSERT(a, syms->count == a->count-1,
        "Function 'def' cannot define incorrect "
        "number of values to symbols");
    
      /* Assign copies of values to symbols */
      for (int i = 0; i < syms->count; i++) {
        lenv_put(e, syms->cell[i], a->cell[i+1]);
      }
    
      lval_del(a);
      return lval_sexpr();
    }
    
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    异常处理优化

    现在的异常处理还不完善,我们期望可以把 lval_err 实现得像 printf 一样,具有格式化的输出功能。

    为了灵活的实现,我们利用了 C 语言中的函数的可变长形参列表特性。

    lval* lval_err(char* fmt, ...);
    
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    此外,还使用了 vsnprintf 内建函数,vsnprintf 类似于 printf,默认输出字符串。但是由于我们不知道字符串的大小,只是默认分配了 512 个字节,当输出的字符串小于这个值,就会重新分配资源,但如果大于这个值,就会报错,希望不会出现这个问题。

    lval* lval_err(char* fmt, ...) {
      lval* v = malloc(sizeof(lval));
      v->type = LVAL_ERR;
    
      /* Create a va list and initialize it */
      va_list va;
      va_start(va, fmt);
    
      /* Allocate 512 bytes of space */
      v->err = malloc(512);
    
      /* printf the error string with a maximum of 511 characters */
      vsnprintf(v->err, 511, fmt, va);
    
      /* Reallocate to number of bytes actually used */
      v->err = realloc(v->err, strlen(v->err)+1);
    
      /* Cleanup our va list */
      va_end(va);
    
      return v;
    }
    
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    更新所有错误信息的提示,让它更加的完整:

    LASSERT(a, a->count == 1,
      "Function 'head' passed too many arguments. "
      "Got %i, Expected %i.",
      a->count, 1);
    
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    现在我们提高错误信息的内容:

    char* ltype_name(int t) {
      switch(t) {
        case LVAL_FUN: return "Function";
        case LVAL_NUM: return "Number";
        case LVAL_ERR: return "Error";
        case LVAL_SYM: return "Symbol";
        case LVAL_SEXPR: return "S-Expression";
        case LVAL_QEXPR: return "Q-Expression";
        default: return "Unknown";
      }
    }
    
    LASSERT(a, a->cell[0]->type == LVAL_QEXPR,
      "Function 'head' passed incorrect type for argument 0. "
      "Got %s, Expected %s.",
      ltype_name(a->cell[0]->type), ltype_name(LVAL_QEXPR));
    
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    我们把错误审查做的很详细是为了后面的编写,一旦出错,有 log 可以查看,这是良好的编程风格。并且使用宏可以减少很多代码的编写。

    源代码

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include "mpc.h"
    
    #define LASSERT(args, cond, fmt, ...) \
        if (!(cond)) { lval* err = lval_err(fmt, ##__VA_ARGS__); lval_del(args); return err; }
    
    #define LASSERT_TYPE(func, args, index, expect) \
        LASSERT(args, args->cell[index]->type == expect, \
                "Function '%s' passed incorrect type for argument %i. Got %s, Expected %s.", \
                func, index, ltype_name(args->cell[index]->type), ltype_name(expect))
    
    #define LASSERT_NUM(func, args, num) \
        LASSERT(args, args->count == num, \
                "Function '%s' passed incorrect number of arguments. Got %i, Expected %i.", \
                func, args->count, num)
    
    #define LASSERT_NOT_EMPTY(func, args, index) \
        LASSERT(args, args->cell[index]->count != 0, \
                "Function '%s' passed {} for argument %i.", func, index);
    
    #ifdef _WIN32
    #include <string.h>
    
    static char buffer[2048];
    
    char *readline(char *prompt) {
        fputs(prompt, stdout);
        fgets(buffer, 2048, stdin);
    
        char *cpy = malloc(strlen(buffer) + 1);
    
        strcpy(cpy, buffer);
        cpy[strlen(cpy) - 1] = '\0';
    
        return cpy;
    }
    
    void add_history(char *unused) {}
    
    #else
    
    #ifdef __linux__
    #include <readline/readline.h>
    #include <readline/history.h>
    #endif
    
    #ifdef __MACH__
    #include <readline/readline.h>
    #endif
    
    #endif
    
    /* Forward Declarations */
    struct lval;
    struct lenv;
    typedef struct lval lval;
    typedef struct lenv lenv;
    
    /* Lisp Value Type Enumeration */
    enum {
        LVAL_NUM,
        LVAL_ERR,
        LVAL_SYM,
        LVAL_FUN,
        LVAL_SEXPR,
        LVAL_QEXPR
    };
    
    typedef lval *(*lbuiltin)(lenv*, lval*);
    
    /* Declare lisp lval Struct */
    struct lval {
        int type;
        long num;
    
        /* Count and Pointer to a list of "lval*" */
        struct lval **cell;
        int count;
    
        /* Error and Symbol types have some string data */
        char *err;
        char *sym;
    
        lbuiltin fun;
    };
    
    
    /* Construct a pointer to a new Number lval */
    lval *lval_num(long x) {
        lval *v = malloc(sizeof(lval));
        v->type = LVAL_NUM;
        v->num = x;
        return v;
    }
    
    char *ltype_name(int t) {
        switch(t) {
            case LVAL_FUN: return "Function";
            case LVAL_NUM: return "Number";
            case LVAL_ERR: return "Error";
            case LVAL_SYM: return "Symbol";
            case LVAL_SEXPR: return "S-Expression";
            case LVAL_QEXPR: return "Q-Expression";
            default: return "Unknown";
        }
    }
    
    /* Construct a pointer to a new Error lval */
    lval *lval_err(char *fmt, ...) {
        lval *v = malloc(sizeof(lval));
        v->type = LVAL_ERR;
        /* Create a va list and initialize it */
        va_list va;
        va_start(va, fmt);
    
        /* Allocate 512 bytes of space */
        v->err = malloc(512);
    
        /* printf the error string with a maximum of 511 characters */
        vsnprintf(v->err, 511, fmt, va);
    
        /* Reallocate to number of bytes actually used */
        v->err = realloc(v->err, strlen(v->err)+1);
    
        /* Cleanup our va list */
        va_end(va);
    
        return v;
    }
    
    /* Construct a pointer to a new Symbol lval */
    lval *lval_sym(char *sym) {
        lval *v = malloc(sizeof(lval));
        v->type = LVAL_SYM;
        v->sym = malloc(strlen(sym) + 1);
        strcpy(v->sym, sym);
        return v;
    }
    
    /* A pointer to a new empty Sexpr lval */
    lval *lval_sexpr(void) {
        lval *v = malloc(sizeof(lval));
        v->type = LVAL_SEXPR;
        v->count = 0;
        v->cell = NULL;
        return v;
    }
    
    /* A pointer to a new empty Qexpr lval */
    lval *lval_qexpr(void) {
        lval *v = malloc(sizeof(lval));
        v->type = LVAL_QEXPR;
        v->count = 0;
        v->cell = NULL;
        return v;
    }
    
    lval *lval_fun(lbuiltin func) {
        lval *v = malloc(sizeof(lval));
        v->type = LVAL_FUN;
        v->fun = func;
        return v;
    }
    
    
    void lval_del(lval *v) {
        switch (v->type) {
            /* Do nothing special for number type */
            case LVAL_NUM:
                break;
    
            /* For Err or Sym free the string data */
            case LVAL_ERR:
                free(v->err);
                break;
            case LVAL_SYM:
                free(v->sym);
                break;
    
            case LVAL_FUN:
                break;
    
            /* If Qexpr or Sexpr then delete all elements inside */
            case LVAL_QEXPR:
            case LVAL_SEXPR:
                for (int i = 0; i < v->count; i++) {
                    lval_del(v->cell[i]);
                }
                /* Also free the memory allocated to contain the pointers */
                free(v->cell);
                break;
        }
        /* Free the memory allocated for the "lval" struct itself */
        free(v);
    }
    
    
    struct lenv {
        int count;
        char **syms;
        lval **vals;
    };
    
    lenv *lenv_new(void) {
        lenv *e = malloc(sizeof(lenv));
        e->count = 0;
        e->syms = NULL;
        e->vals = NULL;
        return e;
    }
    
    void lenv_del(lenv *e) {
        for (int i = 0; i < e->count; i++) {
            free(e->syms[i]);
            lval_del(e->vals[i]);
        }
        free(e->syms);
        free(e->vals);
        free(e);
    }
    
    lval *lval_copy(lval *v) {
        lval *x = malloc(sizeof(lval));
        x->type = v->type;
    
        switch (v->type) {
            /* Copy Functions and Numbers Directly */
            case LVAL_FUN: x->fun = v->fun; break;
            case LVAL_NUM: x->num = v->num; break;
    
            /* Copy Strings using malloc and strcpy */
            case LVAL_ERR:
                x->err = malloc(strlen(v->err) + 1);
                strcpy(x->err, v->err);
                break;
    
            case LVAL_SYM:
                x->sym = malloc(strlen(v->sym) + 1);
                strcpy(x->sym, v->sym);
                break;
    
             /* Copy Lists by copying each sub-expression */
            case LVAL_SEXPR:
            case LVAL_QEXPR:
                x->count = v->count;
                x->cell = malloc(sizeof(lval*) * x->count);
                for (int i = 0; i < x->count; i++) {
                    x->cell[i] = lval_copy(v->cell[i]);
                }
                break;
        }
        return x;
    }
    
    lval *lenv_get(lenv *e, lval *k) {
        /* Iterate over all items in environment */
        for (int i = 0; i < e->count; i++) {
            /* Check if the stored string matches the symbol string */
            /* If it does, return a copy of the value */
            if (strcmp(e->syms[i], k->sym) == 0) {
                return lval_copy(e->vals[i]);
            }
        }
    
        /* If no symbol found return error */
        return lval_err("Unbound Symbol '%s'", k->sym);
    }
    
    
    void lenv_put(lenv *e, lval *k, lval *v) {
        /* Iterate over all items in environment */
        /* This is to see if variable already exists */
        for (int i = 0; i < e->count; i++) {
            /* If variable is found delete item at that position */
            /* And replace with variable supplied by user */
            if (strcmp(e->syms[i], k->sym) == 0) {
                lval_del(e->vals[i]);
                e->vals[i] = lval_copy(v);
                return;
            }
        }
    
        /* If no existing entry found allocate space for new entry */
        e->count++;
        e->vals = realloc(e->vals, sizeof(lval*) * e->count);
        e->syms = realloc(e->syms, sizeof(char*) * e->count);
    
        /* Copy contents of lval and symbol string into new location */
        e->vals[e->count-1] = lval_copy(v);
        e->syms[e->count-1] = malloc(strlen(k->sym)+1);
        strcpy(e->syms[e->count-1], k->sym);
    }
    
    
    
    lval *lval_add(lval *v, lval *x) {
        v->count++;
        v->cell = realloc(v->cell, sizeof(lval*) * v->count);
        v->cell[v->count-1] = x;
        return v;
    }
    
    lval *lval_read_num(mpc_ast_t *t) {
        errno = 0;
        long x = strtol(t->contents, NULL, 10);
        return errno != ERANGE
            ? lval_num(x)
            : lval_err("invalid number");
    }
    
    lval *lval_read(mpc_ast_t *t) {
         /* If Symbol or Number return conversion to that type */
        if (strstr(t->tag, "number")) {
            return lval_read_num(t);
        }
        if (strstr(t->tag, "symbol")) {
            return lval_sym(t->contents);
        }
    
        /* If root (>) or sexpr then create empty list */
        lval *x = NULL;
        if (strcmp(t->tag, ">") == 0) {
            x = lval_sexpr();
        }
        if (strstr(t->tag, "sexpr"))  {
            x = lval_sexpr();
        }
        if (strstr(t->tag, "qexpr")) {
            x = lval_qexpr();
        }
    
        /* Fill this list with any valid expression contained within */
        for (int i = 0; i < t->children_num; i++) {
            if (strcmp(t->children[i]->contents, "(") == 0) { continue; }
            if (strcmp(t->children[i]->contents, ")") == 0) { continue; }
            if (strcmp(t->children[i]->contents, "}") == 0) { continue; }
            if (strcmp(t->children[i]->contents, "{") == 0) { continue; }
            if (strcmp(t->children[i]->tag,  "regex") == 0) { continue; }
            x = lval_add(x, lval_read(t->children[i]));
        }
        return x;
    }
    
    
    void lval_print(lval *v);
    
    void lval_expr_print(lval *v, char open, char close) {
        putchar(open);
        for (int i = 0; i < v->count; i++) {
    
            /* Print Value contained within */
            lval_print(v->cell[i]);
    
            /* Don't print trailing space if last element */
            if (i != (v->count-1)) {
                putchar(' ');
            }
        }
        putchar(close);
    
    }
    
    /* Print an "lval*" */
    void lval_print(lval *v) {
        switch (v->type) {
            case LVAL_NUM:   printf("%li", v->num); break;
            case LVAL_ERR:   printf("Error: %s", v->err); break;
            case LVAL_SYM:   printf("%s", v->sym); break;
            case LVAL_FUN:   printf("<function>"); break;
            case LVAL_SEXPR: lval_expr_print(v, '(', ')'); break;
            case LVAL_QEXPR: lval_expr_print(v, '{', '}'); break;
        }
    }
    
    /* Print an "lval" followed by a newline */
    void lval_println(lval *v) {
        lval_print(v);
        putchar('\n');
    }
    
    
    lval *lval_pop(lval *v, int i) {
    
        /* Find the item at "i" */
        lval *x = v->cell[i];
    
        /* Shift memory after the item at "i" over the top */
        memmove(&v->cell[i], &v->cell[i+1],
                sizeof(lval*) * (v->count-i-1));
    
        /* Decrease the count of items in the list */
        v->count--;
    
        /* Reallocate the memory used */
        v->cell = realloc(v->cell, sizeof(lval*) * v->count);
        return x;
    }
    
    lval *lval_take(lval *v, int i) {
        lval *x = lval_pop(v, i);
        lval_del(v);
        return x;
    }
    
    lval *lval_eval(lenv *e, lval *v);
    lval *builtin(lval* a, char* func);
    
    lval *lval_eval_sexpr(lenv *e, lval *v) {
        /* Evaluate Children */
        for (int i = 0; i < v->count; i++) {
            v->cell[i] = lval_eval(e, v->cell[i]);
        }
    
        /* Error Checking */
        for (int i = 0; i < v->count; i++) {
            if (v->cell[i]->type == LVAL_ERR) {
                return lval_take(v, i);
            }
        }
    
        /* Empty Expression */
        if (v->count == 0) { return v; }
    
        /* Single Expression */
        if (v->count == 1) { return lval_take(v, 0); }
    
        /* Ensure first element is a function after evaluation */
        lval *f = lval_pop(v, 0);
        if (f->type != LVAL_FUN) {
            lval_del(f);
            lval_del(v);
    
            return lval_err("first element is not a function");
        }
    
        /* If so call function to get result */
        lval *result = f->fun(e, v);
        lval_del(f);
        return result;
    }
    
    lval *lval_eval(lenv *e, lval *v) {
        if (v->type == LVAL_SYM) {
            lval *x = lenv_get(e, v);
            lval_del(v);
            return x;
        }
    
        /* Evaluate Sexpressions */
        if (v->type == LVAL_SEXPR) {
            return lval_eval_sexpr(e, v);
        }
    
        /* All other lval types remain the same */
        return v;
    }
    
    lval *builtin_op(lenv* e, lval *a, char *op) {
    
        /* Ensure all arguments are numbers */
        for (int i = 0; i < a->count; i++) {
            LASSERT_TYPE(op, a, i, LVAL_NUM);
        }
    
        /* Pop the first element */
        lval *x = lval_pop(a, 0);
    
        /* If no arguments and sub then perform unary negation */
        if ((strcmp(op, "-") == 0) && a->count == 0) {
            x->num = -x->num;
        }
    
        /* While there are still elements remaining */
        while (a->count > 0) {
            /* Pop the next element */
            lval *y = lval_pop(a, 0);
    
            if (strcmp(op, "+") == 0) { x->num += y->num; }
            if (strcmp(op, "-") == 0) { x->num -= y->num; }
            if (strcmp(op, "*") == 0) { x->num *= y->num; }
            if (strcmp(op, "/") == 0) {
                if (y->num == 0) {
                    lval_del(x);
                    lval_del(y);
                    x = lval_err("Division By Zero!");
                    break;
                }
                x->num /= y->num;
            }
            lval_del(y);
        }
        lval_del(a);
        return x;
    }
    
    
    lval *builtin_head(lenv* e, lval *a) {
        LASSERT_NUM("head", a, 1);
        LASSERT_TYPE("head", a, 0, LVAL_QEXPR);
        LASSERT_NOT_EMPTY("head", a, 0);
    
        /* Otherwise take first argument */
        lval *v = lval_take(a, 0);
    
        /* Delete all elements that are not head and return */
        while (v->count > 1) {
            lval_del(lval_pop(v, 1));
        }
    
        return v;
    }
    
    lval *builtin_tail(lenv *e, lval *a) {
        LASSERT_NUM("tail", a, 1);
        LASSERT_TYPE("tail", a, 0, LVAL_QEXPR);
        LASSERT_NOT_EMPTY("tail", a, 0);
    
        /* Take first argument */
        lval *v = lval_take(a, 0);
    
        /* Delete first element and return */
        lval_del(lval_pop(v, 0));
    
        return v;
    
    }
    
    lval *builtin_list(lenv* e, lval *a) {
        a->type = LVAL_QEXPR;
        return a;
    }
    
    lval *builtin_eval(lenv* e, lval *a) {
        LASSERT_NUM("eval", a, 1);
        LASSERT_TYPE("eval", a, 0, LVAL_QEXPR);
    
        lval *x = lval_take(a, 0);
        x->type = LVAL_SEXPR;
        return lval_eval(e, x);
    }
    
    lval *lval_join(lval *x, lval *y) {
    
        /* For each cell in 'y' add it to 'x' */
        while (y->count) {
             x = lval_add(x, lval_pop(y, 0));
        }
    
        /* Delete the empty 'y' and return 'x' */
        lval_del(y);
        return x;
    }
    
    lval *builtin_join(lenv *e, lval *a) {
        for (int i = 0; i < a->count; i++) {
            LASSERT_TYPE("join", a, i, LVAL_QEXPR);
        }
    
        lval *x = lval_pop(a, 0);
    
        while (a->count) {
            x = lval_join(x, lval_pop(a, 0));
        }
    
        lval_del(a);
        return x;
    }
    
    lval *builtin_add(lenv *e, lval *a) {
        return builtin_op(e, a, "+");
    }
    
    lval *builtin_sub(lenv *e, lval *a) {
        return builtin_op(e, a, "-");
    }
    
    lval *builtin_mul(lenv *e, lval *a) {
        return builtin_op(e, a, "*");
    }
    
    lval *builtin_div(lenv *e, lval *a) {
        return builtin_op(e, a, "/");
    }
    
    void lenv_add_builtin(lenv *e, char *name, lbuiltin func) {
      lval *k = lval_sym(name);
      lval *v = lval_fun(func);
      lenv_put(e, k, v);
      lval_del(k); lval_del(v);
    }
    
    lval *builtin_def(lenv *e, lval *a) {
        LASSERT_TYPE("def", a, 0, LVAL_QEXPR);
    
         /* First argument is symbol list */
        lval *syms = a->cell[0];
    
        /* Ensure all elements of first list are symbols */
        for (int i = 0; i < syms->count; i++) {
            LASSERT(a, syms->cell[i]->type == LVAL_SYM,
                    "Function 'def' cannot define non-symbol");
        }
    
        /* Check correct number of symbols and values */
        LASSERT(a, syms->count == a->count-1,
                "Function 'def' cannot define incorrect "
                "number of values to symbols");
    
        /* Assign copies of values to symbols */
        for (int i = 0; i < syms->count; i++) {
            lenv_put(e, syms->cell[i], a->cell[i+1]);
        }
    
        lval_del(a);
        return lval_sexpr();
    }
    
    
    void lenv_add_builtins(lenv *e) {
      /* Variable Functions */
      lenv_add_builtin(e, "def", builtin_def);
    
      /* List Functions */
      lenv_add_builtin(e, "list", builtin_list);
      lenv_add_builtin(e, "head", builtin_head);
      lenv_add_builtin(e, "tail", builtin_tail);
      lenv_add_builtin(e, "eval", builtin_eval);
      lenv_add_builtin(e, "join", builtin_join);
    
      /* Mathematical Functions */
      lenv_add_builtin(e, "+", builtin_add);
      lenv_add_builtin(e, "-", builtin_sub);
      lenv_add_builtin(e, "*", builtin_mul);
      lenv_add_builtin(e, "/", builtin_div);
    }
    
    
    int main(int argc, char *argv[]) {
    
        /* Create Some Parsers */
        mpc_parser_t *Number   = mpc_new("number");
        mpc_parser_t* Symbol   = mpc_new("symbol");
        mpc_parser_t* Sexpr    = mpc_new("sexpr");
        mpc_parser_t *Qexpr    = mpc_new("qexpr");
        mpc_parser_t *Expr     = mpc_new("expr");
        mpc_parser_t *Lispy    = mpc_new("lispy");
    
        /* Define them with the following Language */
        mpca_lang(MPCA_LANG_DEFAULT,
                "                                                       \
                number   : /-?[0-9]+/ ;                                 \
                symbol   : /[a-zA-Z0-9_+\\-*\\/\\\\=<>!&]+/ ;           \
                sexpr    : '(' <expr>* ')' ;                            \
                qexpr    : '{' <expr>* '}' ;                            \
                expr     : <number> | <symbol> | <sexpr> | <qexpr> ;    \
                lispy    : /^/ <expr>* /$/ ;                            \
                ",
                Number, Symbol, Sexpr, Qexpr, Expr, Lispy);
    
        puts("Lispy Version 0.1");
        puts("Press Ctrl+c to Exit\n");
    
        lenv *e = lenv_new();
        lenv_add_builtins(e);
    
        while(1) {
    
            char *input = readline("lispy> ");
            add_history(input);
    
            /* Attempt to parse the user input */
            mpc_result_t r;
    
            if (mpc_parse("<stdin>", input, Lispy, &r)) {
                /* On success print and delete the AST */
                lval *x = lval_eval(e, lval_read(r.output));
                lval_println(x);
                lval_del(x);
                mpc_ast_delete(r.output);
            } else {
                /* Otherwise print and delete the Error */
                mpc_err_print(r.error);
                mpc_err_delete(r.error);
            }
    
            free(input);
    
        }
    
        lenv_del(e);
    
        /* Undefine and delete our parsers */
        mpc_cleanup(6, Number, Symbol, Sexpr, Qexpr, Expr, Lispy);
    
        return 0;
    }
    
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