Forth o FORTH es un lenguaje de programación y un ambiente de programación para computadores ideado por Charles H. Moore entre los años 1965 y 1970 en el National Radio Astronomy Observatory de Kitt Peak, Arizona.
Su nombre es una contracción de la palabra inglesa fourth, dado que sus creadores le consideraban destinado a la cuarta generación de computadoras, pero la primera edición del lenguaje fue preparada para un IBM 1130, que solo permitía nombres con una longitud máxima de cinco letras; su nombre se quedó ya para siempre en FORTH. Forth es deletreado a veces con todas las letras en mayúsculas siguiendo el uso acostumbrado durante los primeros años, aunque el nombre no es un acrónimo.
Inicialmente diseñado para una aplicación muy concreta, la astronomía (cálculo de trayectorias de cuerpos en órbita, cromatografías, análisis de espectros de emisión), ha evolucionado hasta ser aplicable a casi todos los demás campos relacionados o no con esa rama de la ciencia (cálculos de probabilidad, bases de datos, análisis estadísticos y hasta financieros).
Posteriormente, un programa para la adquisición automática y continua de datos realizado en este lenguaje ha descubierto al menos la mitad de los cúmulos interestelares conocidos en la actualidad.
Forth es un lenguaje de programación de computadoras procedimental, estructurado, imperativo, reflexivo, basado en pila y sin comprobación de tipos. Forth ofrece tanto la ejecución interactiva de comandos (haciéndolo conveniente como shell para los sistemas que carecen de un sistema operativo más formal) como la capacidad de compilar secuencias de comandos para la ejecución posterior. Algunas implementaciones del Forth (usualmente las versiones tempranas o las escritas para ser extremadamente portable) compilan código enhebrado (threaded code), pero muchas implementaciones de hoy generan código de máquina optimizado como otros compiladores de lenguajes.
Una de sus importantes características es la utilización de una pila de datos para pasar los argumentos entre las palabras, que son los constituyentes de un programa en Forth.
Aunque no es tan popular como otros sistemas de programación, Forth tiene suficiente soporte para mantener varios vendedores y contratistas lenguaje en el negocio. Forth es usado actualmente en cargadores (boot loaders) tales como Open Firmware, aplicaciones espaciales,NASA applications of Forth y otros sistemas empotrados. Una implementación de Forth por el Proyecto GNU es activamente mantenida, y su último lanzamiento fue en noviembre de 2008. El estándar de 1994 está actualmente siendo sometido a revisión, llamado provisionalmente Forth 200x.Forth 200x standards effort
Visión general Un ambiente Forth combina el compilador con una shell interactivo. El usuario interactivamente define y corre subrutinas, o «palabras», en una máquina virtual similar al ambiente de runtime. Las palabras pueden ser probadas, redefinidas, y depuradas a medida que el código fuente es ingresado sin recompilar o reiniciar el programa entero. Todos los elementos sintácticos, incluyendo las variables y los operadores básicos, aparecen como tales procedimientos (en forma de palabras). Incluso si una particular palabra es optimizada para no requerir una llamada de subrutina, todavía sigue también disponible como subrutina. Por otro lado, la shell puede compilar comandos interactivamente mecanografiados en código de máquina antes de correrlos. (Este comportamiento es común, pero no requerido). Los ambientes Forth varían en cómo es almacenado el programa resultante, pero idealmente, correr el programa tiene el mismo efecto que entrar manualmente el código fuente de nuevo. Esto contrasta con la combinación de C con los shells de UNIX, en donde las funciones compiladas son una clase especial de objetos de programa y los comandos interactivos son estrictamente interpretados . La mayor parte de las características únicas de Forth resultan de este principio. Al incluir la interacción, el scripting, y la compilación, Forth fue popular en los computadores con recursos limitados, tales como el BBC Micro y las series del Apple II, y permanece así en aplicaciones tales como firmware y pequeños microcontroladores. Donde los compiladores C ahora pueden generar código más compacto y con mejor desempeño, Forth conserva la ventaja de la interactividad.
Las pilas Cada ambiente de programación con subrutinas implementa una pila para el flujo de control. Esta estructura típicamente también almacena las variables locales, incluyendo los parámetros de la subrutina (en un sistema de llamada por valor como en C). Con frecuencia, sin embargo, Forth no tiene variables locales, ni es llamado-por-valor. En lugar de eso, los valores intermedios son mantenidos en una segunda pila. Las palabras operan directamente en los valores superiores de esta pila. Por lo tanto, puede ser llamada la pila de «parámetro» o de «datos», pero es más conocida como la «pila». La pila de llamada de funciones es entonces llamada la pila de retorno o de «encadenamiento» ( en inglés linkage o return stack), abreviado rstack. Las funciones especiales de manipulación del rstack proporcionadas por el núcleo permiten que sea usado para el almacenamiento temporal dentro de una palabra, pero no puede ser usado de otra manera para pasar parámetros o para manipular datos.
La mayoría de las palabras son especificadas en términos de su efecto sobre la pila. Típicamente, los parámetros son colocados en el tope de la pila antes de que la palabra se ejecute. Después de la ejecución, los parámetros son borrados y substituidos por valores de retorno. Para los operadores aritméticos, esto sigue la regla de la notación polaca inversa. Ver abajo para los ejemplos que ilustran el uso de la pila.
Mantenimiento Forth es un lenguaje simple y extensible; su modularidad y extensibilidad permiten la escritura de programas de alto nivel tales como sistemas de CAD. Sin embargo, la extensibilidad también ayuda a que programadores pobres escriban código incomprensible, que ha dado a Forth una reputación como «lenguaje de solo escritura». Forth ha sido usado con éxito en proyectos grandes y complejos, mientras que las aplicaciones desarrolladas por profesionales competentes y disciplinados han probado ser de fácil mantenimiento en plataformas de hardware cambiantes durante décadas de uso. Forth tiene un nicho tanto en aplicaciones astronómicas como espaciales. Todavía hoy, Forth es usado en muchos sistemas empotrados (pequeños dispositivos computarizados), debido a su portabilidad, uso eficiente de la memoria, corto tiempo de desarrollo, y rápida velocidad de ejecución. Ha sido implementado eficientemente en procesadores RISC modernos, y han sido producidos procesadores que usan Forth como lenguaje de máquina. Otros usos de Forth incluyen Open Firmware, boot ROMs usadas por Apple, IBM, Sun, y OLPC XO-1; y la primera etapa del controlador de arranque basada en FICL del sistema operativo FreeBSD.
Historia Forth se desarrolló a partir del sistema de programación personal de Charles H. Moore, que había estado en desarrollo continuo desde 1958. Forth fue expuesto por primera vez a otros programadores a principios de los años 1970, comenzando con Elizabeth Rather en el National Radio Astronomy Observatory de los Estados Unidos. Después de su trabajo en NRAO, Charles Moore y Elizabeth formaron Forth, inc. en 1973, refinando y portando sistemas Forth a docenas de otras plataformas en la siguiente década.
Forth fue nombrado así porque en 1968 «el archivo conteniendo el interpretador fue etiquetado FOURTH, por la 4.ª (siguiente) generación de software - pero el sistema operativo del IBM 1130 restringía los nombres de archivo a 5 caracteres». Moore vio a Forth como el sucesor de compilar-encadenar-ejecutar de los lenguajes de tercera generación, o software para hardware «de cuarta generación», no en el sentido de un lenguaje de programación de cuarta generación como ha venido a ser usado el término.
Debido a que Charles Moore se había trasladado con frecuencia de un trabajo a otro en su carrera, una presión temprana en el lenguaje de desarrollo era la facilidad de portarlo a diversas arquitecturas de computadora. Un sistema Forth ha sido usado con frecuencia para «levantar» un nuevo hardware. Por ejemplo, Forth fue el primer software residente en el nuevo chip Intel 8086 en 1978 y MacFORTH era el primer sistema de desarrollo residente para el primer Apple Macintosh en 1984.
Comenzando en 1976, el microFORTH de Forth inc. fue desarrollado para los microprocesadores Intel 8080, Motorola 6800, y el Zilog Z80. MicroFORTH fue usado después por aficionados para generar sistemas Forth para otras arquitecturas, tales como los MOS 6502 de 1978. La amplia diseminación finalmente llevó a la estandarización del lenguaje. La práctica común era codificada en los estándares de facto de FORTH-79 y FORTH-83 de los años 1979 y 1983, respectivamente. Estos estándares fueron unificados por el ANSI en 1994, comúnmente referenciado como ANS Forth.
Forth llegó a ser muy popular en los años 1980 porque estaba bien adaptado a los pequeños microcomputadores de ese tiempo, pues es compacto y portable. Por lo menos un computador personal, el Jupiter Ace británico, tenía a Forth en su sistema operativo residente en ROM. El Canon Cat también usaba Forth para su programación de sistema. Rockwell también produjo los microcomputadores en un simple chip, el R65F11 y el R65F12, con núcleos Forth residentes.
La perspectiva del programador
Forth confía fuertemente en el uso explícito de una pila de datos y de la notación polaca inversa (RPN o notación postfija, comúnmente usada en calculadoras de Hewlett-Packard). En RPN, el operador es colocado después de sus operandos, a diferencia de la más común notación infija donde es colocado entre los operandos. La notación postfija hace al lenguaje más fácil analizar gramaticalmente (parse) y extender; Forth no usa una gramática BNF, y no tiene un compilador monolítico. Extender el compilador solo requiere la escritura de una nueva palabra, en vez de modificar una gramática y de cambiar la implementación subyacente.
Usando RPN, se puede conseguir el resultado de la expresión matemática (25 * 10 + 50) de esta manera:
25 10 * 50 + . 300 ok
150px|left Esta línea de comando primero pone los números 25 y 10 en la pila implicada.
150px|left La palabra * multiplica los dos números en el tope de la pila y los sustituye por su producto.
150px|left Entonces el número 50 se pone en la pila.
150px|left La palabra + lo agrega al producto anterior. Finalmente, el comando . imprime el resultado al terminal de usuario.
Incluso las características estructurales del Forth son basadas en la pila. Por ejemplo:
: FLOOR5 ( n -- n' ) DUP 6 < IF DROP 5 ELSE 1 - THEN ;
Este código define una nueva palabra llamada FLOOR5 usando los comandos siguientes (otra vez, «palabra» es el término usado para una subrutina):
DUP duplica el número en la pila; < compara 6 con el número superior en la pila y los substituye por un valor verdadero-o-falso; IF toma un valor verdadero-o-falso y elige ejecutar comandos inmediatamente después de él o saltar al ELSE; DROP desecha el valor en la pila; y THEN termina la condicional.
El texto entre paréntesis es un comentario, advirtiendo que esta palabra espera un número en la pila y retornará un número posiblemente cambiado. La palabra FLOOR5 es equivalente a esta función escrita en el lenguaje de programación C:
int floor5(int v) { return v < 6 ? 5 : v - 1; }
Esta función se escribe más sucintamente como:
: FLOOR5 ( n -- n' ) 1- 5 MAX ;
Se puede correr esta palabra como sigue:
1 FLOOR5 . 5 ok 8 FLOOR5 . 7 ok
Primero el interpretador empuja (push) un número (1 u 8) sobre la pila, después llama a FLOOR5, que retira (pop) este número otra vez y empuja el resultado. Finalmente, una llamada a «.» retira el resultado de la pila y lo imprime al terminal del usuario.