Forth入门（03）：冒号定义，搭建FORTH高楼大厦的基本方法

杨***

—、一种有生命力的语言

假设你是一位办公室管理人员并且刚刚雇用了一位热心的新助手。第一天你教给这位助手打印图件的正确格式（假定这位助手已掌握打字技术）。在当天结束时，你只需说"请打印这个"。

第二天你对他讲解档案制度。你花了二上午时间来解释如何归档，下午你就只需说"请把这个归档"。

到了周末你便可以用一种简记的形式同助手交谈了。"请发出这封信"，意思包含"打印它，让我签发，照相复制，附本归档，邮寄原件"。这样，你和你的助手就能更愉快更有效地自由执行你的商业事务了。

良好的组织和有效的通讯要求你：

①对有用的任务加以定义并对它们命名；

②把各个相关的任务组合成一些较大的任务，并给它们相应命名等等。

FORTH 正是按上述方法（除了你不必说"请"之外）让你来组织你自己的过程并和计算机建立联系。

作为一个例子，我们设想用 FORTH 编程来控制一台由微机控制的洗衣机。在该例中主要命令被命名为 WASHER。下面是用 FORTH 书写的 WASHER 的定义：

:  WASHER   WASH  SPIN RINSE  SPIN  ;

在 FORTH 中，冒号表示一个新定义的开始。

冒号后的第一个词 WASHER 是新过程的名称。其余的词 WASH、SPIN、RINSE 和 SPIN 组成该新过程的定义。最后的分号表示定义结束。

组成 WASHER 定义的每一个词都必须是在洗衣机控制程序中已被定义过的词。例如，察看定义 RINSE：

:  RINSE   FILL  AGITATE  DRAIN   ;

可以看到它是由词 FILL、AGITATE 和 DRAIN 组成的。而且这些词又应是本例中其它地方已定义过的词。例如可以查到 FILL 的定义：

:  FILL    FAUCETS  OPEN  TILL-FULL  FAUCETS  CLOSE   ;

在这个定义中，我们既涉及了对象（faucts、水龙头）又涉及了动作（open 和 close、开和关）。而且定义了词 TILL-FULL 去建立一个"延迟循环"，它指示当从到达水平面时开关已被启动的时间，没有其它动作。

如果我们顺着这些定义察看下去，最终将会发现它们都是由一组非常有用的、组成全部FORTH系统的基本命令定义的。在 PolyFORTH 中大约包含 300 条基本命令。这些命令中的许多命令本身也是由如同本例中的"冒号定义"所定义的，另一部分由特定机器的机器语言直接定义。在 FORTH 中，一条已定义的命令称为一个"词"。

用其它词定义一个词的能力称为"扩展性"。这种扩展性导致了一种非常简单、结构天然严谨、功能无限扩展的程度设计格式。无论你的程序是流水运行，还是获取科学计算、商业管理或游戏中的数据，你都可以根据特定需要建立你自己的"有生命力的语言"——各种词。

二、人机会话

FORTH 有许多独有的特点，其中之一就是简单地呼叫一个词的名字便可以执行它。若在终端键盘上操作，只要键入词的名字再按 RETURN 键即可。自然也可以在其它的定义中放入该词的名字，再由其它词来使用它。

由于只要键入一命令，机器便可执行该命令，所以 FORTH 被称为"会话式"语言。

首先我们给出一个你能亲自试验的例子，并显示出把一些简单的命令组合成一些功能极强的命令的步骤。在此我们将使用一些控制终端屏幕或打印机的简单 FORTH 词。现在让我们熟悉一下通过终端键盘与 FORTH "交谈"的技巧。

请坐在你实际的或假想的终端前面。我们将假定你已请求别人为你装备了使用 FORTH 的所有软硬件，或者你了解如何装备。

现在请按下键：

RETURN

这时计算机将回答： OK

RETURN 键是你用来使 FORTH 知道你的请求的信息。OK 是 FORTH 回答它已完成你的请求而且没有出错的信息。在上面的情况下，你要求 FORTH 不进行任何工作，所以它遵从你的请求不做任何事情，只是回答 OK。（OK可能是大写字母，也可能是小写字母，这取决于你的终端）。

现在键入：

15  SPACES

如果你在键入过程中发生错误，可以按"backspace"键进行修改。方法是使光标回到发生错误的位置，重新键入正确的字符，然后继续。在一行键入正确后再按 RETURN 键。（一旦按下 RETURN 键后就无法再对本行进行修改了）。

注：1)有的FORTH书刊称为"字"。为了不与存疑的"字长"相混淆，我们译为"词"（word），而且在本书中我们把内容中的一个字（18bit）称为一个"单元"（cell）。

在本节中，我们利用符号 <CR> 来表明你必须按 RETURN 键的地方。例如：

15  SPACES <CR>                OK

当你按下 RETURN 键时，FORTH 随后打印出 15 个空格，再回打 OK，表示已处理了你的要求。

现在键入：

42  EMIT <CR>   *  OK

短语"42  EMIT"告诉 FORTH 打印一个"*"号，因此 FORTH 打印出一个星号后再回答 OK。

我们可以在同一行中键入多个命令，例如：

15  SPACES  42  EMIT 42  EMIT  <CR>         * OK

这时，FORTH 打印出 15 个空格和两个星号。请注意：对于键入的词或数，可以用任意多个空格分开。但是要使 FORTH 能把它们当作词或者是数来识别，至少要用一个空格分开。

如果我们要多次使用短语：

42  EMIT

我们可以把它定义为一个词"STAR"：

:  STAR   42  EMIT；<CR> OK

其中"STAR"是名字，"42  EMIT"是定义。请注意，必须把冒号和分号与邻近的词用空格隔开。另外，为了使 FORTH 定义易于为人们阅读，我们习惯于把定义的名字和内容用二个空格分开。

当你已经键入上述定义并按了 RETURN 键后，FORTH 回答 OK，这表明 FORTH 已认可该定义并将记住它。

现在键入：

STAR <CR>  * OK

FORTH 便执行你的定义而打印一个星号。

象 STAR 这样你自己定义的词和象“EMIT”这样系统中已定义的词之间并没有什么区别。

下面介绍另一个系统定义的词“CR”，它在你的终端上执行换行。例如：

CR <CR>  

OK

FORTH 则先执行回车换行，再打印OK（在下一行）。

如果你的FORTH系统中没有这个词，你可以自己立即定义它：

:  CR  13EMIT  10 EMIT  ;

现在请试试：

CR  STAR  CR STAR  CR  STAR<CR>  

*

*

* OK

然后请把 CR放在定义中，如：

:  MARGIN  CR  30  SPACES  ;  <CR>OK

现在我们就能键入：

   MARGIN  STAR  MARGIN  STAR  MARGIN STAR<CR>

它将在离左边30个空格的竖线上打印3个星号。

为了下面的需要我们把MARGIN  STAR组合起来定义成一个词：

   :  BLIP   MARGIN  STAR  ;  <CR>OK

我们还需要定义在水平分析打印多个星号的词(我们将在后面解释它是如何工作的):

   :  STARS   0  DO STAR  LOOP  ;  <CR>OK

现在我们可以键入：

   5  STARS<CR>

***** OK

或者

   15  STARS<CR>

***********************************OK

或者要求打印任意多个星号。

我们还需要定义一个词，它先执行MARGIN，然后再打印5个星号：

   :  BAR  MARGIN  5  STARS  ; <CR>OK

现在我们可以键入：

   BAR  BLIP BAR  BLIP  BLIP  CR<CR>

并得到一个由星星组成字母“F”(代表Forth)，它应该是这样的:：

                       *****

                       *

                       *****

                       *

                       *

最后一个步是把这个新的过程定义成词，称此词为“F”。

:  F  BAR  BLIP  BAR BLIP  BLIP  CR  ; <CR>OK

通过上面的例子，你已经了解到简单的Forth命令可以成为更复杂的命名基础。

当列表显示一个Forth应用程序时，我们可以看到它是由一系列功能逐步增长的定义组成,而不是由一个个依次执行的指令系列组成。

作为一个Forth应用的实际程序，我们把前面的实验应用程序列表如下（开头的数字是行号，第0行是注释行，FORTH用括号括起要注释的内容）：

0  (  LARGE LETTER F )

1  ：STAR  42  EMIT ；

2  ：STARS 0  DO  STAR LOOP  ；

3  ：MARGIN  CR  30  SPACES ；

4  ：BLIP  MARGIN  STAR  ；

5  ：BAR  MARGIN  5  STAR  ；

6  ：F  BAR  BLIP  BAR BLIP  BLIP  CR  ；

三、词 典

FORTH 的每个词和它的定义都被登记在 FORTH 词典中。机器启动时，词典中已包含了许多词，这时，你自己定义的词也可以登记进词典。

当你定义一个新词时，FORTH 便把你的定义翻译成词典形式写入词典条目。这个过程称为"编译"。例如，当你键入一行：

:  STAR   42  EMIT；<CR>

编译程序便把该新定义编译进词典。但编译程序不直接打印出星号。

一旦词被登记进词典，它是如何被执行的呢？让我们在终端直接键入下述行（不在定义内部）：

STAR 30 SPACES <CR>

这时将启动称为“INTERPRET”的词，也称为"文本解释程序"。该词进行如下操作：

①文本解释程序首先扫描输入流，寻找以空格分隔的字符串；

②当发现这样的字符串时，它便到词典中去查对该字符串；

③若在词典中找到这样一个词，它便把该词的定义指给一个称为“EXECUTE”的词，“EXECUTE”便执行该词（这时便打印一个星号）。然后文本解释程序回答 OK；

④若在词典中找不到这样的字符串，文本解释程序便调用数字处理程序（叫做

“NUMBER”），若“NUMBER”发现它是一个数字则把它放入数字暂存区。

当你试图执行一个词典中尚不存在的话会出现什么现象呢？例如键入：

XLERB <CR>

这时文本解释程序在词典中找不到 XLERB，便试图把它传给“NUMBER”。而它并非数字，“NUMBER”拒绝接受。因此文本解释程序回答该串名字并跟随一问号"？"。

在某些 FORTH 版本中，包括 PolyFORTH，编译程序并不是把定义的全名复制进词典，只是复制前三个字符和全名的字符个数。例如，在PolyFORTH中文本解释程序不能区别 STAG 和 STAR，因为这两个词都是由 4 个字符组成且前三个字符又都是 S-T-A。尽管如此，许多专业程序员还是喜欢采用三字符规则，这样节省内存。某些程序员和许多业余爱好者都欣赏自由选择任意名字。标准 79-FORTH 可以把多到 31 个字符的名字存入词典。

“:”也是一个词。现在解释一下文本解释程序对它的处理。如在：

： STAR   42  EMIT ；<CR>

中出现了“:”冒号，这时：

①文本解释程序在输入流中发现了冒号，则把它指给“EXECUTE”，“EXECUTE”则说"请开始编译"；

②编译程序便把该定义翻译成词典形式并写入词典；

③当编译程序遇到分号时则停止编译；

④返回到文本解释程序，给出信息 OK。

四、如何命名

在 FORTH 中，一个词就是具有定义的一个字符或一组字符。几乎所有的字符都能用来命名词。只有少数几个字符串不能用来命名：

return：回车符<CR>，因为计算机认为你已完成了输入；

backspace：删除符<BS>，因为计算机认为你试图修改键入错误；

space：空格“ ”，因为计算机把它作为一个词的结束；

caret（↑或^）：脱机符<ESC>；因为编辑程序（如果你正在使用的话）用之表示其它功能。

下面就是由两个标点符号组成的 FORTH 词名，它是“ .” ” ，只由小数点-双引号“dot-quote”组成。你能把它用于定义内部去打印一文本"串"。例如：

:  GREET  ."  Hello,  I speak Forth  "  ;<CR>OK

这样我们就定义了一个名为 GREET 的词，它的定义仅由一个 FORTH 词 “ .” ”组成，“ .” ” 后面跟随的是要打印的文本。文本后面的引号将不打印，它只是表明文本的结束，称为"分界符"。在定义的结尾别忘了结束符 “;”分号。

执行 GREET 其结果如下：

GREET<CR>

Hello, I speakForth  OK

注：对应学习C语言的第一个程序“你好，世界！”，FORTH程序是这样的：

:  HELLO  CR  .”  Hello, World!  “  ;<CR>

注：如果FORTH和计算机终端都支持中文，那么中文程序是这样的：

:  你好   CR .” 你好，世界！ “  ;<CR>

国芯人***

Forth语言以其简洁、灵活和高效著称，其核心设计理念之一便是通过“冒号定义”来构建程序。这种机制不仅赋予了Forth极高的模块化和可扩展性，还使其成为一种极具生命力的编程语言。本文将深入探讨Forth中的冒号定义机制，并通过实例分析其在实际应用中的优势。

冒号定义的基本概念

在Forth中，冒号定义（Colon Definition）是构建程序的基本方法。冒号（:）用于定义一个新词（Word），这个词可以是Forth中的任何操作或功能。定义结束时使用分号（;）表示。这种机制允许程序员将复杂的任务分解为一系列简单的步骤，并将这些步骤组合成更高层次的功能。

例如，假设我们需要编写一个程序来控制一台洗衣机。我们可以通过冒号定义来实现这一功能：

forth
: WASHER WASH SPIN RINSE SPIN ;
复制代码

在这个例子中，WASHER是一个新定义的词，它由WASH、SPIN、RINSE和SPIN组成。每个组成词都必须在程序中事先定义过。这种层次化的定义方式使得程序结构清晰，易于维护和扩展。

冒号定义的层次化结构

冒号定义的强大之处在于其层次化结构。每个定义的词可以进一步分解为更基础的词，直到最底层的操作。例如，RINSE可以定义为：

forth
: RINSE FILL AGITATE DRAIN ;
复制代码

而FILL又可以定义为：

forth
: FILL FAUCETS OPEN TILL-FULL FAUCETS CLOSE ;
复制代码

通过这种层层分解的方式，程序员可以将复杂的任务逐步简化为一系列简单的操作。这不仅提高了代码的可读性，还使得程序的调试和维护变得更加容易。

冒号定义的实际应用

冒号定义在实际应用中具有广泛的适用性。以办公室管理为例，假设你是一位办公室管理人员，刚刚雇用了一位新助手。你可以通过冒号定义的方式，将日常任务分解为一系列简单的操作，并为每个操作命名。例如：

forth
: PRINT-DOCUMENT FORMAT PRINT ;
: FILE-DOCUMENT ARCHIVE STORE ;
: SEND-LETTER PRINT-DOCUMENT SIGN COPY FILE-DOCUMENT MAIL ;
复制代码

在这个例子中，PRINT-DOCUMENT、FILE-DOCUMENT和SEND-LETTER分别代表打印文件、归档文件和发送信件。通过这种定义方式，你可以用简洁的指令来执行复杂的任务，从而提高工作效率。

冒号定义的优势

1. 模块化：冒号定义使得程序可以被分解为多个独立的模块，每个模块负责一个特定的功能。这种模块化设计使得程序结构清晰，易于理解和维护。

2. 可扩展性：通过冒号定义，程序员可以轻松地扩展程序的功能。只需定义新的词，并将其组合到现有的程序中，即可实现功能的扩展。

3. 高效性：Forth语言的解释器直接执行冒号定义，无需额外的编译步骤。这种直接执行的方式使得Forth程序具有极高的执行效率。

4. 灵活性：冒号定义允许程序员根据需要灵活地组合和重用代码。这种灵活性使得Forth语言在处理复杂任务时表现出色。

结论

Forth语言中的冒号定义机制是其核心设计理念之一，通过这种机制，程序员可以将复杂的任务分解为一系列简单的操作，并将这些操作组合成更高层次的功能。这种层次化、模块化的设计方式使得Forth程序具有极高的可读性、可维护性和可扩展性。无论是控制洗衣机还是管理办公室事务，冒号定义都能提供一种简洁、高效的解决方案。因此，掌握冒号定义是学习和使用Forth语言的关键步骤。

[本文内容由国芯人工智能辅助生成，仅供参考]

shuan***

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