lispやschemeにコンスセルは必要なのですか？

Question

javascriptでlispのようなものを実装して遊んでいます。

lispやschemeの根元にはコンスセルという対になったポインタが存在し、コンスセルのcdr部にコンスセルのポインタが連続格納されることでリストが作られる。そして同時にlispやschemeのプログラム自体もリストで構成されているという認識をしています。

javascriptでコンスセルを作成することを考えた時、私はjavascriptのArrayの[0]と[1]を利用して作成することを考えました。しかしここで違和感を感じました。Arrayはもともとリストであるのに、リストを作るためにArrayを使ってコンスセルを作成してもう一度リストを作ることに意味はあるのか？ということです。

schemeでlambdaを作成した時、restargumentを取得する際にパラメータ部分にドット対を使うことで以降の引数をリストで受け取れることを知って、なるほどドット対はこんな風に使うのかと思いました。その他の言語では...restなんて書いたりしますよね。しかしrestargumentを受け取る方法は他にも作れそうです。（lambdaの中で__args__を参照できるとか）

何言ってんだ！コンスセルがあるから木構造ができるんだよ。という意見もありそうですが、リストを使った木構造の方が複雑な木構造を実現できる気がしています。

また、コンスセルが存在するからこそconsを使ったエレガントなリストの作成や、carやcdrを使って好きな部分を参照できるため、Arrayだったらsliceなどを使わないと実現できないことが負荷なくできるのであろうとも考えています。

しかしそもそもコンスセルのポインタ地獄で式を評価すること自体、javascriptにとってかなり負荷になるのではないか？と思いました。またコンスセルの存在しないlispのようなものを作ったとしたら、それはドット対という特殊な構文を必要としないシンプルなものになるのでは？とも感じています。

ドット対の存在しないlispなんてlispとは言えない！なんて思われるかもしれませんが、まさにそう思われた方はなぜそう思うのか教えていただきたいです。

lispやschemeでまともにプログラムを組んだことがないのにlispのようなものを実装していること自体がおかしいとは思うのですが、修行が足りないためにコンスセルやドット対にメリットを感じられません。Arrayを使ったリストだけを利用してLISPを実装したら、何か不便なことが起こるのでしょうか？

C言語のような可変長配列の存在しない言語（確かないですよね？）でLISPを実装する場合にはコンスセルは可変長配列を実現するだけでなく柔軟な切り貼りができる便利な存在となりえるが、Javascriptには可変長配列のArrayが元々存在するからメリットを感じにくいということなのでしょうか？

詳しい方、アドバイスよろしくおねがいいたします。

Answer 1

Arrayは順番付きの静的な列を効率よく実現できるデータ構造ですけど、構造の共有に適した構造ではありません。例えばJavascriptのArrayやPythonのlistでLispのリストを実現したとしますと以下のことが簡単には実現できないと思います。

(setq a '(a b c))   ;; a = (a b c)
(setq b (cdr a))    ;; b = (b c)
(setf (car b) 'bb)   ;; b = (bb c)    かつ  a = (a bb c)

lispでも何でもかんでも構造の共有を起こすわけではなく、他のリストと共通部分を持たないという仮定を置くべきケースと共通部分を持つという前提のものが両方出てきます。しかしながら少なくとも後者が充分効率的に実装できる必要があります。

その理由で一般の配列は向いておらずlinked listつまりドット対のようなデータ構造にする必要があると考えるとよいと思います。

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ただ・・・ドット対はランダムアクセスに向いた構造ではないとかメモリー効率がよくないといった理由で、Lispの実装でも「他と共有部分がない」とか「cdrでリストの部分列をトラバースするのではなく要素をインデックスでアクセスするのが主」というケースでは内部的に配列を用いるような最適化は考えられると思います。さらに構造を変更しないという前提が置けるケースではcdrの結果として「実体の配列とその何番目以降を指しているかのインデックス」を用いてリストの部分共有を実現するなどといった工夫も考えられると思います。

Lispのドット対は外部仕様は極めて単純ながら内部の実装はこういった様々な工夫をする余地があるような気がします。個々の実装について詳しくないですがそうしたアイデアの記事を見かけたことはあります（ずいぶん昔に見たものなので今日のポピュラーな実装でそのような実装が行われているかどうかについてはすみませんがわかりません）

Comments

[hojo]

なるほど、大変わかりやすい回答ありがとうございましたm(_ _)m

Answer 2

はじめまして。言語仕様にあっているならば、コンスセル構造（これは実装の一種であって、このように実装しなければならない、という規則ではありません）使わなくともルール違反ではないと思います。むしろすべてをコンスセル構造にすると効率が落ちる場合もあると思います。
例えば、リストを（要素の値を描き変えない）配列として実装することも可能だと思います。ランダムアクセスができるので要素を見つけるのは効率が上がることが期待できますが、リスト構造を変える操作は効率が下がりそうです。
C++なら、長さが実行時に決められるvectorというデータ構造もあります。
schemeでもクロージャーは内容を見ようとしてもそのままでは中身が見えません。クロージャーもコンスセルを使って実装することは可能ですが効率が悪いのでしょう。