RFC 012: F-String テンプレート文字列

概要

YaoXiang 言語に f-string テンプレート文字列機能を追加し、変数の補間、式の評価、書式設定出力に対応する。f-string は Python スタイルの構文（f"..." プレフィックス）を使用し、文字列内で {expression} 構文により式を埋め込み、コンパイル時に効率的な文字列操作に変換する。

注意: f-string の構文と動作は Python と一貫性を保ち、具体的な仕様については Python 公式ドキュメントを参照。

動機

なぜこの機能が必要か？

現在の YaoXiang の文字列連結方式是は冗長である：

# 現状：+ による連結
name = "Alice"
age = 30
message = "Hello ".concat(name).concat(", age: ").concat(age.to_string())
print(message)

# または format 関数を使用
message2 = format("Hello {}, age: {}", name, age)

現在の問題点

1. 可読性が低い：文字列の連結と書式設定に複数回の呼び出しが必要で、コードが冗長
2. 間違いやすい：手動で型変換を行い、.to_string() を見落としやすい
3. パフォーマンスの考慮：複数の文字列連結がパフォーマンスに影響する可能性がある
4. 表現力が不足：複雑な式を文字列に直感的に埋め込めない

提案

コア設計

f-string を新しい文字列リテラルのプレフィックスとして導入し、以下のをサポート：

• 変数の補間：f"Hello {name}"
• 式の評価：f"Sum: {x + y}"
• 書式指定子：f"Pi: {pi:.2f}"
• 型安全性：コンパイル時に式の型を検査

例

# 基本的な補間
name = "Alice"
greeting = f"Hello {name}"  # "Hello Alice"

# 式の補間
x = 10
y = 20
result = f"Sum: {x + y}"    # "Sum: 30"

# 書式指定子
pi = 3.14159
formatted = f"Pi: {pi:.2f}"  # "Pi: 3.14"

# 複雑な式
items = [1, 2, 3]
s = f"Count: {len(items)}, sum: {sum(items)}"  # "Count: 3, sum: 6"

# オブジェクトのメソッド呼び出し
user = User("Bob", 25)
bio = f"Name: {user.name}, age: {user.get_age()}"

構文の変化

変更前	変更後
"Hello ".concat(name)	f"Hello {name}"
format("Value: {}", value)	f"Value: {value}"
format("Pi: {:.2f}", pi)	f"Pi: {pi:.2f}"

構文仕様

FStringLiteral ::= 'f' '"' FStringContent* '"'
FStringContent ::= FStringChar | EscapeSequence | FStringInterpolation
FStringInterpolation ::= '{' Expression (':' FormatSpec)? '}'
FormatSpec      ::= [width] ['.' precision] type
width           ::= digit+
precision       ::= digit+
type            ::= 'b' | 'c' | 'd' | 'e' | 'E' | 'f' | 'F' | 'g' | 'G' | 'n' | 'o' | 's' | 'x' | 'X' | '%'

詳細な設計

構文解析

コンパイラは字句解析段階で f プレフィックスの文字列リテラルを認識し、波括弧内の式とオプションの書式指定子を解析する。

変換戦略

f-string はコンパイル時に効率的な文字列操作に変換される：

単純な補間：

f"Hello {name}"

に変換される：

"Hello ".concat(name.to_string())

式の補間：

f"Sum: {x + y}"

に変換される：

"Sum: ".concat((x + y).to_string())

書式指定子：

f"Pi: {pi:.2f}"

に変換される：

format("Pi: {:.2f}", pi)

複数の補間：

f"Hello {name}, you are {age} years old"

に変換される：

"Hello ".concat(name.to_string()).concat(", you are ").concat(age.to_string()).concat(" years old")

型システムへの影響

• 補間式は Stringable インターフェースを実装する必要がある（基本型と文字列には自動的に実装される）
• 書式指定子は対応する書式設定をサポートする必要がある
• コンパイラは式の型と書式設定ルールの整合性を検査する

コンパイラの改変

コンポーネント	改変内容
lexer	f プレフィックスを認識し、文字列内補間構文を解析
parser	FStringLiteral 構文ノードを新規追加
typecheck	補間式の型を検査し、書式設定ルールを検証
codegen	文字列連結または書式設定呼び出しコードを生成

下位互換性

• ✅ 完全な下位互換性
• 既存の文字列リテラル "..." は変更なし
• f-string は新規構文であり、既存コードに影響なし

トレードオフ

优点

1. 構文が簡潔：定型句が減り、可読性が向上
2. 型安全：コンパイル時に検査され、実行時エラーを減少
3. パフォーマンスの最適化：コンパイラが文字列連結を最適化可能
4. 表現力が豊富：任意の式と書式設定をサポート
5. 学習コストが低い：Python エコシステムと一貫性あり

欠点

1. コンパイラの複雑さ：新增の構文解析と変換ロジックが必要
2. 構文の曖昧性：既存の文字列構文との区別が必要
3. デバッグの課題：変換後のコードとソースコードの構造が異なる

代替案

案	選択しない理由
変数の補間のみサポート	複雑な書式設定のニーズを満たせない
関数型スタイル format(...) の使用	構文が簡潔さに欠ける
v2.0 まで延期	ユーザーには文字列の使いやすさへの明確なニーズがある
バッククォート或其他のプレフィックスを使用	Python エコシステムと一貫性がない

実装戦略

段階的划分

1. 段階 1 (v0.9):

   • 基本的な f-string 構文サポート
   • 変数と単純な式の補間
   • 基本的な型変換

2. 段階 2 (v1.0):

   • 書式指定子サポート
   • 複雑な式の補間
   • パフォーマンスの最適化

3. 段階 3 (v1.1):

   • デバッグ情報の強化
   • エラーメッセージの改善
   • 追加の書式設定オプション

依存関係

• 外部依存なし
• 基本的な型システムサポートが必要
• 文字列ライブラリの基本機能が必要

リスク

1. パフォーマンスリスク：複数の補間により文字列オブジェクトが过多発生する可能性
   • 軽減：コンパイラが隣接する文字列定数をマージする最適化を行う
2. 型検査の複雑さ：書式指定子の型検査
   • 軽減：Python の実装を参照し、シンプルで直接的な検査を使用する
3. 構文の曖昧性：{ と } のネスト使用
   • 軽減：明確な構文ルールを定め、ネストを制限する

開放的な問題

• [x] エスケープされた波括弧のサポート？Python と同樣に、二重波括弧で単一波括弧を表す，如 {{ は { を、}} は } を表す
• [x] カスタム書式設定関数のサポート？Python と同樣に、__format__ メソッドを通じて型の書式設定をカスタマイズ可能
• [x] 書式指定子の完全な仕様？Python と同樣、上位の BNF 参照
• [x] パフォーマンス最適化の具体的な戦略？Python と同樣：実行時に連結し、特殊な最適化は不要
• [x] エラー診断のベストプラクティス？Python と同樣：エラー時に元の f-string の内容と位置を表示

付録

付録A：書式指定子リファレンス

型	指定子	例	出力
整数	d	f"{42:d}"	"42"
浮動小数点	f	f"{3.14:.2f}"	"3.14"
科学的記数法	e	f"{1000:e}"	"1.000000e+03"
文字列	s	f"{name:s}"	"Alice"
十六進数	x	f"{255:x}"	"ff"

付録B：使用シナリオの例

# ログ記録
log(level: String, msg: String, count: Int) = () => {
    timestamp = get_timestamp()
    print(f"[{timestamp}] {level}: {msg} (count: {count})")
}

# JSON 構築
json = "{\n    \"name\": \"".concat(user.name).concat("\",\n    \"age\": ")
    .concat(user.age.to_string()).concat(",\n    \"email\": \"")
    .concat(user.email).concat("\"\n}")

# SQL クエリ構築（SQL インジェクションのリスクに注意）
query = f"SELECT * FROM users WHERE age > {min_age} AND status = '{status}'"

# デバッグ情報
debug_info = f"Point({x:.2f}, {y:.2f}) at {timestamp}"

# 条件付き書式設定
status_msg = if is_active {
    f"User {name} is active"
} else {
    f"User {name} is inactive"
}

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参考文献

• Python f-strings
• Rust format! macro
• JavaScript template literals
• C# interpolated strings

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ライフサイクルと归宿

RFC には以下の状態フローがある：

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│   草案       │  ← 作成者が作成
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│  レビュー中  │  ← コミュニティで議論
└──────┬──────┘
       │
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       ▼                  ▼
┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│  承認済み   │    │  拒否済み   │
└──────┬──────┘    └──────┬──────┘
       │                  │
       ▼                  ▼
┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│   accepted/ │    │    rfc/     │
│ (正式設計)  │    │ (元の位置を保持) │
└─────────────┘    └─────────────┘