Forth入门

写在前面的话

我一直以为西文是编程的基础。这当然不是因为计算机是西人发明的，而是因为让计算机识别和处理汉字几乎是不可能的。到今天汉字还不得不依赖于西文来输入。所以不掌握西文，简直无法进行编程学习。

一年多以前，我开始关注儿童编程教育，然后我觉得语言不应该成为学习电脑编程的问题。

Forth是一个非常简单的，甚至没有什么语法的语言，它将指令或者数据输送给计算机，而计算机则一个一个的执行它们（或者保存它们），仅此而已。所以我觉得如果想用汉字进行编程，Forth是一个很好的开始。因此我找到了Easy Forth。我觉得它非常符合我对汉语编程的理解，所以我迫不及待的将它译为中文，同时在翻译的过程中也做了一些汉语编程的工作。

下面开始的内容，就是这本我翻译并做了一些汉语编程（实际上就是定义基于汉语的字典）的工作成果，我希望你有一个愉快的学习过程。

关于这本教材

这本教材教给你学习一门新的编程语言：Forth。Forth是一门不同于其它任何语言的编程语言，它既不是函数式，也不是面向对象的，它没有类型检查，它甚至没有任何语法可言。它产生于上个世纪的七十年代，现在仍然在这些领域使用着。

为什么你需要学习一门新的语言？因为新的语言会让你用新的思路来考虑问题。Forth不但很容易学习，而且它能让你用不同于以往任何方式来考虑问题，它是一门能够拓展你思路的非常好的语言。

这本手册包括了一个简单的基于JavaScript实现的最基本的Forth解释器。它能够让你书中的示例进行演示。

栈

我们生活中经常会看到一些清单，它们将信息按顺序整理为一个列表，这样可以很方便得管理这些信息，被整理为这样的信息我们称其为序列（或者列表）。

序列虽然看起来都一样，但是在操作和存储上却不尽相同，栈就是其中的一种。栈的操作特点是后进先出，即出栈的元素总是最后入栈的元素，类似于我们往袋子里装东西，最后装进去的东西总是被最先取出来。

栈的好处在于我们只需要存和取就可以了，不需要指定其它参数，例如存放的位置或者方向。

栈的缺点也显而易见，它只能对栈最外面的元素进行存取，栈里面的元素则没办法直接使用。

组

组是另外一种常见的序列，它的特点是通过一个顺序号对组中的每个元素进行存取。尽管在存取的时候需要指定一个顺序号，但它提供了对元素随机存取的便利性，所以也是非常常用的一种序列。

组的缺点除了在存取时需要指定顺序号以外，在使用前还需要预先确定它的长度，即组中所有元素的个数，这也为组的使用带来了不便。

Forth

这里的Forth提供有一个交互式界面，它是下面这个样子。

它提供一个输入区（蓝色背景），你可以一行一行的输入程序的内容；Forth对输入的每行内容进行解释和执行，并将结果在显示区内（绿色背景）；最上面的则是栈情区（红色背景），它会显示当前栈内元素的情况。

先输入一些值

Forth中一切都是围绕着栈进行的。任何时候你输入一个数，它就会被放入栈中。如果你想将两个数相加，那么输入“和”（这是一个预先定义的字，Forth会执行这个字）可以将栈最外面的两个数取出来进行相加，然后将结果再放入栈中。

我们可以来看一个例子。把下面的内容依次输入（不能拷贝/粘贴）到Forth中，在每一行的最后按“回车”键。

1
2
3

每次你通过“回车”键输入一行，Forth解释器就会解释并执行这一行中的内容，然后会有一句“完成！”或者其它的错误信息显示出来。在Forth执行每一行内容时，你也通过栈情区看到看到栈的内容，它看起来应该是这样的：

继续输入“和”，然后按“回车”键，栈最外面的两个数“2”和“3”，就会被“5”替代。

这个时候，你的显示区应该是这个样子：

再次输入“和”，并按“回车”键，最外面的两个数会又被替换为6。如果你输入更多的“和”，尽管堆栈中只剩一个数，Forth仍然会试图从堆栈中取出两个值，这样就会产生“空栈！”的错误：

Forth不是必须把每个要输入的数作为单独的一行进行输入，试着输入下面的内容，并按“回车”键：

123 456和

现在栈情的显示应该为：

我们来看一个更为复杂的例子，比如计算“10 × (5 + 2)”。在Forth中输入下面的内容：

5 2和10积

Forth完全按照输入内容的顺序执行。例如当执行“5 2和10积”时，Forth先将5入栈，再将2入栈，然后将它们出栈相加，并将结果7入栈，然后将10入栈，最后将7和10出栈并相乘，并将结果70入栈。因此，在Forth中永远不需要使用括号这样的符号对内容进行优先级设定。

字

在上面的例子中，我们接触到了Forth语言中最为基本的概念：字。输入到Forth中的内容被解释为一个一个的字，不同类型的字会被进行不同的操作。

Forth的规则非常简单，它的内容被解释为单独的字，然后依次得到执行。Forth的字可以是一个汉字，或者是由“0-9”构成的数字，再或者由任意英文字母“a-z”构成的西文单词，比如“中”、“2020”、“this”都是Forth的字。如果连续两个字都是数字或者都是都是西文单词，它们之间应该使用一个空格进行隔离，否则显然Forth会将它识别为一个字，而不是两个字。

数字

显然，数字是一种是用0-9以及小数点“.”构成的，它会被Forth放入栈中，以被后续的字进行处理。

Forth中的数字可以是正负整数或者小数，你也可以用科学计数法来表示它。

运算字

一类重要的字是运算字，它们对数字进行各种运算处理。

栈操作

和(值值|值)

“和”的意思就是将两个数字相加，它从栈中取两个数字，将它们相加，然后将其结果入栈。例如：

100 200和

结果你会看到下面的栈情：

差(值值|值)

“差”的意思就是将两个数字相减，它从栈中取两个值，将它们相减，然后将其结果入栈。例如：

200 100差

结果你会看到下面的栈情：

积(值值|值)

“积”的意思就是将两个数字相乘，它从栈中取两个值，将它们相乘，然后将其结果入栈。例如：

100 200积

结果你会看到下面的栈情：

商(值值|值)

“商”的意思就是将两个数字相除，它从栈中取两个值，将它们相除，然后将其结果入栈。例如：

400 33商

结果你会看到下面的栈情：

余(值值|值)

“余”的意思就是将两个数字相除，然后获取它的余数。它从栈中取两个值，将它们相除，然后将余数入栈。例如：

400 33余

结果你会看到下面的栈情：

除(值值|值值)

如果你既想得到商，还想得到余数，你可以使用“除”。它从栈中取两个值，将它们相除，然后将余数和商入栈。例如：

400
33
除

结果你会看到下面的栈情：

负(值|值)

“负”的意思就是将数字取反。如果它是正数，它将变为负数；反之如果它是一个负数，它将变为一个正数。例如：

400
负

结果你会看到下面的栈情：

增(值|值)

“增”的意思就是将数字加一，它从栈中取一个值，将它加上一，然后将结果入栈。例如：

100
增

结果你会看到下面的栈情：

减(值|值)

“减”的意思就是将数字减一，它从栈中取一个值，将它减去一，然后将结果入栈。例如：

100
减

结果你会看到下面的栈情：

倍(值|值)

“倍”的意思就是将数字翻倍，它从栈中取一个值，将它乘以2，然后将结果入栈。例如：

100
倍

结果你会看到下面的栈情：

衰(值|值)

“衰”的意思就是将数字减倍，它从栈中取一个值，将它除以2，然后将结果入栈。例如：

100
衰

结果你会看到下面的栈情：

方(值|值)

“方”的意思就是计算一个数字的平方，它从栈中取一个值，将它乘以它自己，然后将结果入栈。例如：

100
方

结果你会看到下面的栈情：

根(值|值)

“根”的意思就是计算一个数字的平方根，它从栈中取一个值，计算它的平方根，然后将结果入栈。例如：

100
根

结果你会看到下面的栈情：

幂(值值|值)

“幂”的意思对两个数字进行幂运算，即n^m。它从栈中取两个值，分别作为底数和指数，对其进行计算，然后将结果入栈。例如：

3
5
幂

结果你会看到下面的栈情：

是非运算

有时候我们需要让计算机来判断某个表达式是否正确，比如一个值是不是大于100，或者一个值是否是正数，等等，这种运算称为是非运算。

是非运算产生的结果是“是”和“非”。除了可以比较、判断等这些对数值的是非运算，还可以对是非值进行运算，比如一个值大于100并且小于200。

Forth中“非”用“0”表示，而“是”则用一个“-1”表示。

大、小、等(值值|值)

“大”、“小”和“等”用于判断两个值的大小或者它们是否相等，例如

3 4大

结果你会看到下面的栈情：

是、非(值|值)

“是”和“非”用于查看是非是否为“是”或者“非”，即是否为“-1”或者“0”，例如：

-1是

结果你会看到下面的栈情：

且(值值|值)

“且”用来比较两个是非值是否全为“是”，否则它产生“非”值。例如：

-1 0且

结果你会看到下面的栈情：

或(值值|值)

“或”用来比较两个是非值是否是否至少有一个为“是”，否则它产生“非”值。例如：

-1 0或

结果你会看到下面的栈情：

非(值|值)

“非”用来将“是”改为“非”，而将“非”改为“是”，例如：

-1非

结果你会看到下面的栈情：

最后我们来看一个稍微复杂的例子：

3 4小
20 30小
且

第一行内容等同于“3小于4”，第二行内容等同于“20小于30”，第三行内容等同于“并且”，所以整个程序的意思就是“3小于4并且20小于30”。

最后你会看到下面的栈情：

栈操作

有些字不对数字本身做任何运算，然而它们仍然会对栈中的值作出改变。

重(值|值值)

“重”的意思就是重复，它出栈一个数，复制后将它们入栈。例如：

1 2 3重

结束后你会看到下面的栈情：

弃(值|)

“弃”简单的出栈一个数，试一下下面的例子：

1 2 3弃

会得到如下的栈情：

换(值值|值值)

“换”，正如你猜的那样，它出栈两个数，然后把它们交换后入栈。例如：

1 2 3 4换

得到栈情：

挖(值3值2值1|值2值1值3)

“挖”的意思就是将栈从最外面数的第三个数“挖”出来放到栈的最外面。例如：

1 2 3挖

得到：

输出

输出字是用于输出（显示）的。

印(值|)

最常用的显示字是“印”，它出栈一个数，并将其显示在终端上。试着输入下面的内容：

1印2印3印4 5 6印印印

你会看到这样的输出：

我们看一下它的执行过程：想将“1”入栈，然后将其出栈并显示；然后对“2”和“3”重复这样的过程。最后将“4”、“5”和“6”依次入栈，再将它们出栈并显示。最后这三个值的顺序被颠倒的原因是栈是一个后进先出的容器：最后入栈的值总是最先出栈。

字(值|)

“字”能够出栈一个值，然后将其转换为所表示的符号并显示。例如：

 31243 32534字字

这里就不剧透了。这段内容也可以写成：

 32534字31243字

和“印”不同，“字”在显示时不会增加任何东西，这让你能够完整的显示一句话。

行(|)

“行”是另起一行的意思，它让显示的位置移动到新的一行，这只会影响以后的显示：

行100印行200印行300印

得到下面的结果：

定

没有定义的字在输入后会显示“未定义！”这样的错误信息，你可以在下面试着输入“晕”（一个没有定义的令字）然后按“回车”键。

你就会看到这样的结果：

“未定义！”的意思是Forth没有找到“晕”的定义内容。如果你希望让Forth能够执行它，你就必须用“定”来为它进行定义。

用“定”和“毕”对一个字进行定义，其中“定”表示定义开始，而“毕”则表示定义结束。“定”后面紧跟着的就是需要定义的字，然后就是所定义的内容（直到“毕”为止）。因为Forth每次只能输入一行内容，所以在使用“定”的时候，它们应该写在同一行内容里，例如：

定晕100和毕
1000
晕
晕
晕

当我们定义了“晕”这个字以后，每次输入“晕”，都会给栈最后的值加上100。这个例子虽然简单，但它让你明白如何定义一个字。

控制

控制字本身并不做任何操作，它只对后面的字是否被执行，以及如何执行产生影响。和“定”一样，控制字只能出现在同一行内容。

若则(值|)

“若则”是对是否执行提供控制，它控制的依据是一个是非值，它等同于我们常说的“如果…”。在下面这个“若则”的令规例子中，我们使用了“余”来判断出栈的值是否是5的倍数（同5相除，余数为0），来决定是否显示“是”。

定例5余0等若26159字则毕
3例
4例
5例

结果如下：

需要注意的是“则”表示“若”的结束。之后字不再受若的约束。

若否则(值|)

“若否则”等同于“如果/否则”这样的情况，这里有一个例子：

定例0等若26159字否21542字则毕
0例
1例
2例

结果：

在这种情况下，“是”的内容为“若”和“否”之间的内容，“非”的内容则为“否”和“则”之间的内容。

复返(值值|)

“复返”用于控制内容的反复执行。在在反复执行的内容中，“报”则可以将当前的反复值入栈。

“复返”出栈的两个值分别确定了反复值的开始值和结束值，先出栈的为开始值，这里有一个例子：

定例10 0复报印返毕
例

它会产生下面的结果：

程序“10 0报印返”的意思就是“依次从0到10运行：显示反复值”。

拍七令

拍七令是一个多人玩的报数游戏，当报到含有7的数，或者能被7整出的数时，报数人必须喊“过”（或者用其它动作替代），否则即认为是犯规。

我们可以用“复返”编写一个拍七令游戏：

定七99 1复报7余0等报10商7等报10余7等或或若36807字32字否报印则返毕
七

“7余0等”判断当前反复值是否能被7整除，“10商7等”判断当前反复值除以10以后是否得到7，“10余7等”则判断当前反复值除以10以后是否余数为7。如果符合这其中任何一个条件，则会显示“过”字；否则则会显示当前的反复值。

变数和常数

Forth语言还可以将值保存在一个变数或者常数中。保存在变数中的值可以进行更改，而保存在常数中的值则不可以进行修改。

变数

栈通常用于保存当前正在处理的一些值，Forth中的变数常常被用来在各个处理过程之间需要共同使用的一些值。

用“变”来定义一个新的变数：

变通

这里定义的“通”既不是一个令，也不是一个值，它是一个代表计算机中某个位置的名，通过它可以对该位置中所保存的信息进行读和写。当我们输入一个被定义了的变数名时，它做的仅仅是将它所代表的计算机中的位置入栈，例如：

变通
通

我们看到栈中会出现一个数值，它表示“通”所代表的计算机中的一个位置的值。

“写”会将一个值写入到计算机位置中，“读”则会从这样的计算机地址中获取它所保存的值。

变通
123通写
通读

最后你应该能在栈中看到“123”这个值。“123通”会将值和保存这个值的内存地址入栈，然后“写”就将它们分别出栈，并将值写入在这个地址中。同样的，“读”则基于所给出的内存地址读取所保存的值，并将它入栈。

“啥”被定义为“读印”，它会将变数的值显示出来。

变通
123通写
通啥

运行这段内容，你会看到这样的结果：

常数

如果你有一个常数，你可以把它保存到一个常数中。“常”用来定义一个常数：

42
常
答

这样就定义了一个新的常数“答”，它代表的值为“42”。和变数不同，常数只是代表这个值，它不是内存中的一个地址，所以不需要使用“读”来读取它所代表的值。

42常答
2答积

这段内容会在栈中生成值“84”，“答”被用于表示它所代表的那个值。

组数

Forth可以通过对变数进行扩展，使其能够支持组数。

变组
3扩
10组0和写
20组1和写
30组2和写
40组3和写

这个例子定义了一个变数“组”，然后又扩展了3个内存单元，这样通过变数“组”就成为了一个组数，我们可以通过这个组数所代表的内存地址和一个顺序号的和，来得到相应的内存地址。“组0和”得到组数的第一个的地址，“组1和”则得到组数的第二个地址，以此类推，我们可以得到这个组数所有（4个）的地址。

我们可以很简单的定义一个组数的读写：

变组3扩
定量组和毕
10 0量写
20 1量写
30 2量写
40 3量写

2量啥

“量”通过出栈获取一个偏移位置，然后同“组”所代表的内存地址相加，从而得到这个偏移位置的内存地址。“30 2量写”则将30写入在组数的第二个偏移位置中。

结束语

真正的Forth要比我在这里说的（以及我编写的这个解释器）强大得多。一个真正的Forth系统能让你修改编译器如何工作，建立新的令字，以及让你完全定义你的环境，甚至基于Forth创建你自己的语言。

一个更好的学习Forth的书是Leo Brodie编写的Forth起步，它在线免费，告诉你很多这里没有的有趣的东西。它还有一些很好的练习题，让你测试一下你的水平。你可能需要下载安装SwiftForth来运行书中的代码。