]> git.donarmstrong.com Git - lilypond.git/blob - Documentation/extending/scheme-tutorial.itely
Doc: avoid using zero-duration spacers in examples
[lilypond.git] / Documentation / extending / scheme-tutorial.itely
1 @c -*- coding: utf-8; mode: texinfo; -*-
2
3 @ignore
4     Translation of GIT committish: FILL-IN-HEAD-COMMITTISH
5
6     When revising a translation, copy the HEAD committish of the
7     version that you are working on.  For details, see the Contributors'
8     Guide, node Updating translation committishes..
9 @end ignore
10
11 @c \version "2.15.20"
12
13 @node Scheme tutorial
14 @chapter Scheme tutorial
15
16 @cindex Scheme
17 @cindex GUILE
18 @cindex Scheme, in-line code
19 @cindex accessing Scheme
20 @cindex evaluating Scheme
21 @cindex LISP
22
23 LilyPond uses the Scheme programming language, both as part of the
24 input syntax, and as internal mechanism to glue modules of the program
25 together.  This section is a very brief overview of entering data in
26 Scheme.  If you want to know more about Scheme, see
27 @uref{http://@/www@/.schemers@/.org}.
28
29 LilyPond uses the GNU Guile implementation of Scheme, which is
30 based on the Scheme @qq{R5RS} standard.  If you are learning Scheme
31 to use with LilyPond, working with a different implementation (or
32 referring to a different standard) is not recommended.  Information
33 on guile can be found at @uref{http://www.gnu.org/software/guile/}.
34 The @qq{R5RS} Scheme standard is located at
35 @uref{http://www.schemers.org/Documents/Standards/R5RS/}.
36
37 @menu
38 * Introduction to Scheme::
39 * Scheme in LilyPond::
40 * Building complicated functions::
41 @end menu
42
43 @node Introduction to Scheme
44 @section Introduction to Scheme
45
46 We begin with an introduction to Scheme.  For this brief introduction,
47 we will use the GUILE interpreter to explore how the language works.
48 Once we are familiar with Scheme, we will show how the language can
49 be integrated in LilyPond files.
50
51
52 @menu
53 * Scheme sandbox::
54 * Scheme variables::
55 * Scheme simple data types::
56 * Scheme compound data types::
57 * Calculations in Scheme::
58 * Scheme procedures::
59 * Scheme conditionals::
60 @end menu
61
62 @node Scheme sandbox
63 @subsection Scheme sandbox
64
65 The LilyPond installation includes the Guile implementation of
66 Scheme.  On most systems you can experiment in a Scheme sandbox by
67 opening a terminal window and typing @q{guile}.  On some systems,
68 notably Windows, you may need to set the environment variable
69 @code{GUILE_LOAD_PATH} to the directory @code{../usr/share/guile/1.8}
70 in the LilyPond installation.  For the full path to this directory
71 see @rlearning{Other sources of information}.  Alternatively, Windows
72 users may simply choose @q{Run} from the Start menu and enter
73 @q{guile}.
74
75 However, a hands-on Scheme sandbox with all of Lilypond loaded is
76 available with this command line:
77 @example
78 lilypond scheme-sandbox
79 @end example
80
81 @noindent
82 Once the sandbox is running, you will receive a guile prompt:
83
84 @lisp
85 guile>
86 @end lisp
87
88 You can enter Scheme expressions at this prompt to experiment with
89 Scheme.  If you want to be able to use the GNU readline library for
90 nicer editing of the Scheme command line, check the file
91 @file{ly/scheme-sandbox.ly} for more information.  If you already have
92 enabled the readline library for your interactive Guile sessions outside
93 of LilyPond, this should work in the sandbox as well.
94
95 @node Scheme variables
96 @subsection Scheme variables
97
98 Scheme variables can have any valid scheme value, including a Scheme
99 procedure.
100
101 Scheme variables are created with @code{define}:
102
103 @lisp
104 guile> (define a 2)
105 guile>
106 @end lisp
107
108 Scheme variables can be evaluated at the guile prompt simply by
109 typing the variable name:
110
111 @lisp
112 guile> a
113 2
114 guile>
115 @end lisp
116
117 Scheme variables can be printed on the display by using the display function:
118
119 @lisp
120 guile> (display a)
121 2guile>
122 @end lisp
123
124 @noindent
125 Note that both the value @code{2} and the guile prompt @code{guile}
126 showed up on the same line.  This can be avoided by calling the
127 newline procedure or displaying a newline character.
128
129 @lisp
130 guile> (display a)(newline)
131 2
132 guile> (display a)(display "\n")
133 2
134 guile>
135 @end lisp
136
137 Once a variable has been created, its value can be changed with @code{set!}:
138
139 @lisp
140 guile> (set! a 12345)
141 guile> a
142 12345
143 guile>
144 @end lisp
145
146 @node Scheme simple data types
147 @subsection Scheme simple data types
148
149 The most basic concept in a language is data typing: numbers, character
150 strings, lists, etc.  Here is a list of simple Scheme data types that are
151 often used with LilyPond.
152
153 @table @asis
154 @item Booleans
155 Boolean values are True or False.  The Scheme for True is @code{#t}
156 and False is @code{#f}.
157 @funindex ##t
158 @funindex ##f
159
160 @item Numbers
161 Numbers are entered in the standard fashion,
162 @code{1} is the (integer) number one, while @w{@code{-1.5}} is a
163 floating point number (a non-integer number).
164
165 @item Strings
166 Strings are enclosed in double quotes:
167
168 @example
169 "this is a string"
170 @end example
171
172 Strings may span several lines:
173
174 @example
175 "this
176 is
177 a string"
178 @end example
179
180 @noindent
181 and the newline characters at the end of each line will be included
182 in the string.
183
184 Newline characters can also be added by including @code{\n} in the
185 string.
186
187 @example
188 "this\nis a\nmultiline string"
189 @end example
190
191
192 Quotation marks and backslashes are added to strings
193 by preceding them with a backslash.
194 The string @code{\a said "b"} is entered as
195
196 @example
197 "\\a said \"b\""
198 @end example
199
200 @end table
201
202 There are additional Scheme data types that are not discussed here.
203 For a complete listing see the Guile reference guide,
204 @uref{http://www.gnu.org/software/guile/manual/html_node/Simple-Data-Types.html}.
205
206 @node Scheme compound data types
207 @subsection Scheme compound data types
208
209 There are also compound data types in Scheme.  The  types commonly used in
210 LilyPond programming include pairs, lists, alists, and hash tables.
211
212 @subheading Pairs
213
214 The foundational compound data type of Scheme is the @code{pair}.  As
215 might be expected from its name, a pair is two values glued together.
216 The operator used to form a pair is called @code{cons}.
217
218 @lisp
219 guile> (cons 4 5)
220 (4 . 5)
221 guile>
222 @end lisp
223
224 Note that the pair is displayed as two items surrounded by
225 parentheses and separated by whitespace, a period (@code{.}), and
226 more whitespace.  The period is @emph{not} a decimal point, but
227 rather an indicator of the pair.
228
229 Pairs can also be entered as literal values by preceding them with
230 a single quote character.
231
232 @lisp
233 guile> '(4 . 5)
234 (4 . 5)
235 guile>
236 @end lisp
237
238 The two elements of a pair may be any valid Scheme value:
239
240 @lisp
241 guile> (cons #t #f)
242 (#t . #f)
243 guile> '("blah-blah" . 3.1415926535)
244 ("blah-blah" . 3.1415926535)
245 guile>
246 @end lisp
247
248 The first and second elements of the pair can be accessed by the
249 Scheme procedures @code{car} and @code{cdr}, respectively.
250
251 @lisp
252 guile> (define mypair (cons 123 "hello there")
253 ... )
254 guile> (car mypair)
255 123
256 guile> (cdr mypair)
257 "hello there"
258 guile>
259 @end lisp
260
261 @noindent
262
263 Note:  @code{cdr} is pronounced "could-er", according Sussman and
264 Abelson, see
265 @uref{http://mitpress.mit.edu/sicp/full-text/book/book-Z-H-14.html#footnote_Temp_133}
266
267 @subheading Lists
268
269 A very common Scheme data structure is the @emph{list}.  Formally, a
270 list is defined as either the empty list (represented as @code{'()},
271 or a pair whose @code{cdr} is a list.
272
273 There are many ways of creating lists.  Perhaps the most common is
274 with the @code{list} procedure:
275
276 @lisp
277 guile> (list 1 2 3 "abc" 17.5)
278 (1 2 3 "abc" 17.5)
279 @end lisp
280
281 As can be seen, a list is displayed in the form of individual elements
282 separated by whitespace and enclosed in parentheses.  Unlike a pair,
283 there is no period between the elements.
284
285 A list can also be entered as a literal list by enclosing its
286 elements in parentheses, and adding a quote:
287
288 @lisp
289 guile> '(17 23 "foo" "bar" "bazzle")
290 (17 23 "foo" "bar" "bazzle")
291 @end lisp
292
293 Lists are a central part of Scheme.  In, fact, Scheme is considered
294 a dialect of lisp, where @q{lisp} is an abbreviation for
295 @q{List Processing}.  Scheme expressions are all lists.
296
297 @subheading Association lists (alists)
298
299 A special type of list is an @emph{association list} or @emph{alist}.
300 An alist is used to store data for easy retrieval.
301
302 Alists are lists whose elements are pairs.  The @code{car} of each
303 element is called the @emph{key}, and the @code{cdr} of each element
304 is called the @emph{value}.  The Scheme procedure @code{assoc} is
305 used to retrieve an entry from the alist, and @code{cdr} is used to
306 retrieve the value:
307
308 @lisp
309 guile> (define my-alist '((1  . "A") (2 . "B") (3 . "C")))
310 guile> my-alist
311 ((1 . "A") (2 . "B") (3 . "C"))
312 guile> (assoc 2 my-alist)
313 (2 . "B")
314 guile> (cdr (assoc 2 my-alist))
315 "B"
316 guile>
317 @end lisp
318
319 Alists are widely used in LilyPond to store properties and other data.
320
321 @subheading Hash tables
322
323 A data structure that is used occasionally in LilyPond.  A hash table
324 is similar to an array, but the indexes to the array can be any type
325 of Scheme value, not just integers.
326
327 Hash tables are more efficient than alists if there is a lot of data
328 to store and the data changes very infrequently.
329
330 The syntax to create hash tables is a bit complex, but you
331 can see examples of it in the LilyPond source.
332
333 @lisp
334 guile> (define h (make-hash-table 10))
335 guile> h
336 #<hash-table 0/31>
337 guile> (hashq-set! h 'key1 "val1")
338 "val1"
339 guile> (hashq-set! h 'key2 "val2")
340 "val2"
341 guile> (hashq-set! h 3 "val3")
342 "val3"
343 @end lisp
344
345 Values are retrieved from hash tables with @code{hashq-ref}.
346
347 @lisp
348 guile> (hashq-ref h 3)
349 "val3"
350 guile> (hashq-ref h 'key2)
351 "val2"
352 guile>
353 @end lisp
354
355 Keys and values are retrieved as a pair with @code{hashq-get-handle}.
356 This is a preferred way, because it will return @code{#f} if a key is
357 not found.
358
359 @lisp
360 guile> (hashq-get-handle h 'key1)
361 (key1 . "val1")
362 guile> (hashq-get-handle h 'frob)
363 #f
364 guile>
365 @end lisp
366
367 @node Calculations in Scheme
368 @subsection Calculations in Scheme
369
370 @ignore
371 We have been using lists all along.  A calculation, like @code{(+ 1 2)}
372 is also a list (containing the symbol @code{+} and the numbers 1
373 and@tie{}2).  Normally lists are interpreted as calculations, and the
374 Scheme interpreter substitutes the outcome of the calculation.  To enter a
375 list, we stop the evaluation.  This is done by quoting the list with a
376 quote @code{'} symbol.  So, for calculations do not use a quote.
377
378 Inside a quoted list or pair, there is no need to quote anymore.  The
379 following is a pair of symbols, a list of symbols and a list of lists
380 respectively,
381
382 @example
383 #'(stem . head)
384 #'(staff clef key-signature)
385 #'((1) (2))
386 @end example
387 @end ignore
388
389 Scheme can be used to do calculations.  It uses @emph{prefix}
390 syntax.  Adding 1 and@tie{}2 is written as @code{(+ 1 2)} rather than the
391 traditional @math{1+2}.
392
393 @lisp
394 guile> (+ 1 2)
395 3
396 @end lisp
397
398 Calculations may be nested; the result of a function may
399 be used for another calculation.
400
401 @lisp
402 guile> (+ 1 (* 3 4))
403 13
404 @end lisp
405
406 These calculations are examples of evaluations; an expression like
407 @code{(* 3 4)} is replaced by its value @code{12}.
408
409 Scheme calculations are sensitive to the differences between integers
410 and non-integers.  Integer calculations are exact, while non-integers
411 are calculated to the appropriate limits of precision:
412
413 @lisp
414 guile> (/ 7 3)
415 7/3
416 guile> (/ 7.0 3.0)
417 2.33333333333333
418 @end lisp
419
420 When the scheme interpreter encounters an expression that is a list,
421 the first element of the list is treated as a procedure to be
422 evaluated with the arguments of the remainder of the list.  Therefore,
423 all operators in Scheme are prefix operators.
424
425 If the first element of a Scheme expression that is a list passed to
426 the interpreter is @emph{not} an operator or procedure, an error will
427 occur:
428
429 @lisp
430 guile> (1 2 3)
431
432 Backtrace:
433 In current input:
434   52: 0* [1 2 3]
435
436 <unnamed port>:52:1: In expression (1 2 3):
437 <unnamed port>:52:1: Wrong type to apply: 1
438 ABORT: (misc-error)
439 guile>
440 @end lisp
441
442 Here you can see that the interpreter was trying to treat 1 as an
443 operator or procedure, and it couldn't.  Hence the error is "Wrong
444 type to apply: 1".
445
446 Therefore, to create a list we need to use the list operator, or to
447 quote the list so that the interpreter will not try to evaluate it.
448
449 @lisp
450 guile> (list 1 2 3)
451 (1 2 3)
452 guile> '(1 2 3)
453 (1 2 3)
454 guile>
455 @end lisp
456
457 This is an error that can appear as you are working with Scheme in LilyPond.
458
459 @ignore
460 The same assignment can be done in completely in Scheme as well,
461
462 @example
463 #(define twentyFour (* 2 twelve))
464 @end example
465
466 @c this next section is confusing -- need to rewrite
467
468 The @emph{name} of a variable is also an expression, similar to a
469 number or a string.  It is entered as
470
471 @example
472 #'twentyFour
473 @end example
474
475 @funindex #'symbol
476 @cindex quoting in Scheme
477
478 The quote mark @code{'} prevents the Scheme interpreter from substituting
479 @code{24} for the @code{twentyFour}.  Instead, we get the name
480 @code{twentyFour}.
481 @end ignore
482
483
484 @node Scheme procedures
485 @subsection Scheme procedures
486
487 Scheme procedures are executable scheme expressions that return a
488 value resulting from their execution.  They can also manipulate
489 variables defined outside of the procedure.
490
491 @subheading Defining procedures
492
493 Procedures are defined in Scheme with define
494
495 @example
496 (define (function-name arg1 arg2 ... argn)
497  scheme-expression-that-gives-a-return-value)
498 @end example
499
500 For example, we could define a procedure to calculate the average:
501
502 @lisp
503 guile> (define (average x y) (/ (+ x y) 2))
504 guile> average
505 #<procedure average (x y)>
506 @end lisp
507
508 Once a procedure is defined, it is called by putting the procedure
509 name and the arguments in a list.  For example, we can calculate
510 the average of 3 and 12:
511
512 @lisp
513 guile> (average 3 12)
514 15/2
515 @end lisp
516
517 @subheading Predicates
518
519 Scheme procedures that return boolean values are often called
520 @emph{predicates}.  By convention (but not necessity), predicate names
521 typically end in a question mark:
522
523 @lisp
524 guile> (define (less-than-ten? x) (< x 10))
525 guile> (less-than-ten? 9)
526 #t
527 guile> (less-than-ten? 15)
528 #f
529 @end lisp
530
531 @subheading Return values
532
533 Scheme procedures always return a return value, which is the value
534 of the last expression executed in the procedure.  The return
535 value can be any valid Scheme value, including a complex data
536 structure or a procedure.
537
538 Sometimes the user would like to have multiple Scheme expressions in
539 a procedure.  There are two ways that multiple expressions can be
540 combined.  The first is the @code{begin} procedure, which allows
541 multiple expressions to be evaluated, and returns the value of
542 the last expression.
543
544 @lisp
545 guile> (begin (+ 1 2) (- 5 8) (* 2 2))
546 4
547 @end lisp
548
549 The second way to combine multiple expressions is in a @code{let} block.
550 In a let block, a series of bindings are created, and then a sequence
551 of expressions that can include those bindings is evaluated.  The
552 return value of the let block is the return value of the last
553 statement in the let block:
554
555 @lisp
556 guile> (let ((x 2) (y 3) (z 4)) (display (+ x y)) (display (- z 4))
557 ... (+ (* x y) (/ z x)))
558 508
559 @end lisp
560
561 @node Scheme conditionals
562 @subsection Scheme conditionals
563
564 @subheading if
565
566 Scheme has an @code{if} procedure:
567
568 @example
569 (if test-expression true-expression false-expression)
570 @end example
571
572 @var{test-expression} is an expression that returns a boolean
573 value.  If @var{test-expression} returns @code{#t}, the if
574 procedure returns the value of @var{true-expression}, otherwise
575 it returns the value of @var{false-expression}.
576
577 @lisp
578 guile> (define a 3)
579 guile> (define b 5)
580 guile> (if (> a b) "a is greater than b" "a is not greater than b")
581 "a is not greater than b"
582 @end lisp
583
584 @subheading cond
585
586 Another conditional procedure in scheme is @code{cond}:
587
588 @example
589 (cond (test-expression-1 result-expression-sequence-1)
590       (test-expression-2 result-expression-sequence-2)
591       ...
592       (test-expression-n result-expression-sequence-n))
593 @end example
594
595 For example:
596
597 @lisp
598 guile> (define a 6)
599 guile> (define b 8)
600 guile> (cond ((< a b) "a is less than b")
601 ...          ((= a b) "a equals b")
602 ...          ((> a b) "a is greater than b"))
603 "a is less than b"
604 @end lisp
605
606 @node Scheme in LilyPond
607 @section Scheme in LilyPond
608
609
610 @menu
611 * LilyPond Scheme syntax::
612 * LilyPond variables::
613 * Input variables and Scheme::
614 * Object properties::
615 * LilyPond compound variables::
616 * Internal music representation::
617 @end menu
618
619 @node LilyPond Scheme syntax
620 @subsection LilyPond Scheme syntax
621 @funindex $
622 @funindex #
623
624 The Guile interpreter is part of LilyPond, which means that
625 Scheme can be included in LilyPond input files.  There are several
626 methods for including Scheme in LilyPond.
627
628 The simplest way is to use a hash mark@tie{}@code{#} before a Scheme
629 expression.
630
631 Now LilyPond's input is structured into tokens and expressions, much
632 like human language is structured into words and sentences.  LilyPond
633 has a lexer that recognizes tokens (literal numbers, strings, Scheme
634 elements, pitches and so on), and a parser that understands the syntax,
635 @ruser{LilyPond grammar}.  Once it knows that a particular syntax rule
636 applies, it executes actions associated with it.
637
638 The hash mark@tie{}@code{#} method of embedding Scheme is a natural fit
639 for this system.  Once the lexer sees a hash mark, it calls the Scheme
640 reader to read one full Scheme expression (this can be an identifier, an
641 expression enclosed in parentheses, or several other things).  After the
642 Scheme expression is read, it is stored away as the value for an
643 @code{SCM_TOKEN} in the grammar.  Once the parser knows how to make use
644 of this token, it calls Guile for evaluating the Scheme expression.
645 Since the parser usually requires a bit of lookahead from the lexer to
646 make its parsing decisions, this separation of reading and evaluation
647 between lexer and parser is exactly what is needed to keep the execution
648 of LilyPond and Scheme expressions in sync.  For this reason, you should
649 use the hash mark@tie{}@code{#} for calling Scheme whenever this is
650 feasible.
651
652 Another way to call the Scheme interpreter from LilyPond is the use of
653 dollar@tie{}@code{$} instead of a hash mark for introducing Scheme
654 expressions.  In this case, Lilypond evaluates the code right after the
655 lexer has read it.  It checks the resulting type of the Scheme
656 expression and then picks a token type (one of several
657 @code{xxx_IDENTIFIER} in the syntax) for it.  It creates a @emph{copy}
658 of the value and uses that for the value of the token.  If the value of
659 the expression is void (Guile's value of @code{*unspecified*}), nothing
660 at all is passed to the parser.
661
662 This is, in fact, exactly the same mechanism that Lilypond employs when
663 you call any variable or music function by name, as @code{\name}, with
664 the only difference that its end is determined by the Lilypond lexer
665 without consulting the Scheme reader, and thus only variable names
666 consistent with the current Lilypond mode are accepted.
667
668 The immediate action of @code{$} can lead to surprises, @ref{Input
669 variables and Scheme}.  Using @code{#} where the parser supports it is
670 usually preferable.
671
672 Now let's take a look at some actual Scheme code.  Scheme procedures can
673 be defined in LilyPond input files:
674
675 @example
676 #(define (average a b c) (/ (+ a b c) 3))
677 @end example
678
679 Note that LilyPond comments (@code{%} and @code{%@{ %@}}) cannot
680 be used within Scheme code, even in a LilyPond input file, because
681 the Guile interpreter, not the LilyPond lexer, is reading
682 the Scheme expression.  Comments in Guile Scheme are entered
683 as follows:
684
685 @example
686 ; this is a single-line comment
687
688 #!
689   This a (non-nestable) Guile-style block comment
690   But these are rarely used by Schemers and never in
691   LilyPond source code
692 !#
693 @end example
694
695 For the rest of this section, we will assume that the data is entered
696 in a music file, so we add@tie{}@code{#}s at the beginning of each Scheme
697 expression.
698
699 All of the top-level Scheme expressions in a LilyPond input file can
700 be combined into a single Scheme expression by the use of the
701 @code{begin} statement:
702
703 @example
704 #(begin
705   (define foo 0)
706   (define bar 1))
707 @end example
708
709
710 @node LilyPond variables
711 @subsection LilyPond variables
712
713 LilyPond variables are stored internally in the form of Scheme
714 variables.  Thus,
715
716 @example
717 twelve = 12
718 @end example
719
720 @noindent
721 is equivalent to
722
723 @example
724 #(define twelve 12)
725 @end example
726
727 This means that LilyPond variables are available
728 for use in Scheme expressions.  For example, we could use
729
730 @example
731 twentyFour = #(* 2 twelve)
732 @end example
733
734 @noindent
735 which would result in the number 24 being stored in the
736 LilyPond (and Scheme) variable @code{twentyFour}.
737
738 The usual way to refer to Lilypond variables, @ref{LilyPond Scheme
739 syntax}, is to call them using a backslash, i.e., @code{\twentyFour}.
740 Since this creates a copy of the value for most of LilyPond's internal
741 types, in particular music expressions, music functions don't usually
742 create copies of material they change.  For this reason, music
743 expressions given with @code{#} should usually not contain material that
744 is not either created from scratch or explicitly copied rather than
745 directly referenced.
746
747 @node Input variables and Scheme
748 @subsection Input variables and Scheme
749
750 The input format supports the notion of variables: in the following
751 example, a music expression is assigned to a variable with the name
752 @code{traLaLa}.
753
754 @example
755 traLaLa = @{ c'4 d'4 @}
756 @end example
757
758 @noindent
759
760 There is also a form of scoping: in the following example, the
761 @code{\layout} block also contains a @code{traLaLa} variable, which is
762 independent of the outer @code{\traLaLa}.
763
764 @example
765 traLaLa = @{ c'4 d'4 @}
766 \layout @{ traLaLa = 1.0 @}
767 @end example
768
769 @c
770 In effect, each input file is a scope, and all @code{\header},
771 @code{\midi}, and @code{\layout} blocks are scopes nested inside that
772 toplevel scope.
773
774 Both variables and scoping are implemented in the GUILE module system.
775 An anonymous Scheme module is attached to each scope.  An assignment of
776 the form:
777
778 @example
779 traLaLa = @{ c'4 d'4 @}
780 @end example
781
782 @noindent
783 is internally converted to a Scheme definition:
784
785 @example
786 (define traLaLa @var{Scheme value of `@code{... }'})
787 @end example
788
789 This means that LilyPond variables and Scheme variables may be freely
790 mixed.  In the following example, a music fragment is stored in the
791 variable @code{traLaLa}, and duplicated using Scheme.  The result is
792 imported in a @code{\score} block by means of a second variable
793 @code{twice}:
794
795 @lilypond[verbatim]
796 traLaLa = { c'4 d'4 }
797
798 #(define newLa (map ly:music-deep-copy
799   (list traLaLa traLaLa)))
800 #(define twice
801   (make-sequential-music newLa))
802
803 { \twice }
804 @end lilypond
805
806 @c Due to parser lookahead
807
808 This is actually a rather interesting example.  The assignment will only
809 take place after the parser has ascertained that nothing akin to
810 @code{\addlyrics} follows, so it needs to check what comes next.  It
811 reads @code{#} and the following Scheme expression @emph{without}
812 evaluating it, so it can go ahead with the assignment, and
813 @emph{afterwards} execute the Scheme code without problem.
814
815 The above example shows how to @q{export} music expressions from the
816 input to the Scheme interpreter.  The opposite is also possible.  By
817 placing it after @code{$}, a Scheme
818 value is interpreted as if it were entered in LilyPond syntax.
819 Instead of defining @code{\twice}, the example above could also have
820 been written as
821
822 @example
823 ...
824 @{ $(make-sequential-music (list newLa)) @}
825 @end example
826
827 You can use @code{$} with a Scheme expression anywhere you could use
828 @code{\@var{name}} after having assigned the Scheme expression to a
829 variable @var{name}.  This replacement happens in the @q{lexer}, so
830 Lilypond is not even aware of the difference.
831
832 One drawback, however, is that of timing.  If we had been using @code{$}
833 instead of @code{#} for defining @code{newLa} in the above example, the
834 following Scheme definition would have failed because @code{traLaLa}
835 would not yet have been defined.  For an explanation of this timing
836 problem, @ref{LilyPond Scheme syntax}.
837
838 In any case, evaluation of Scheme code happens in the parser at latest.
839 If you need it to be executed at a later point of time, @ref{Void scheme
840 functions}, or store it in a macro:
841
842 @example
843 #(define (nopc)
844   (ly:set-option 'point-and-click #f))
845
846 ...
847 #(nopc)
848 @{ c'4 @}
849 @end example
850
851 @knownissues
852
853 Mixing Scheme and LilyPond variables is not possible with the
854 @option{--safe} option.
855
856
857 @node Object properties
858 @subsection Object properties
859
860 Object properties are stored in LilyPond in the form of alist-chains,
861 which are lists of alists.  Properties are set by adding values at
862 the beginning of the property list.  Properties are read by retrieving
863 values from the alists.
864
865 Setting a new value for a property requires assigning a value to
866 the alist with both a key and a value.  The LilyPond syntax for doing
867 this is:
868
869 @example
870 \override Stem #'thickness = #2.6
871 @end example
872
873 This instruction adjusts the appearance of stems.  An alist entry
874 @code{'(thickness . 2.6)} is added to the property list of the
875 @code{Stem}
876 object.  @code{thickness} is measured relative to the thickness of
877 staff lines, so these stem lines will be @code{2.6} times the
878 width of staff lines.  This makes stems almost twice as thick as their
879 normal size.  To distinguish between variables defined in input files (like
880 @code{twentyFour} in the example above) and variables of internal
881 objects, we will call the latter @q{properties} and the former
882 @q{variables.}  So, the stem object has a @code{thickness} property,
883 while @code{twentyFour} is a variable.
884
885 @cindex properties vs. variables
886 @cindex variables vs. properties
887
888 @c  todo -- here we're getting interesting.  We're now introducing
889 @c  LilyPond variable types.  I think this deserves a section all
890 @c  its own
891
892 @node LilyPond compound variables
893 @subsection LilyPond compound variables
894
895 @subheading Offsets
896
897 Two-dimensional offsets (X and Y coordinates) are stored as @emph{pairs}.
898 The @code{car} of the offset is the X coordinate, and the @code{cdr} is
899 the Y coordinate.
900
901 @example
902 \override TextScript #'extra-offset = #'(1 . 2)
903 @end example
904
905 This assigns the pair @code{(1 . 2)} to the @code{extra-offset}
906 property of the
907 TextScript object.  These numbers are measured in staff-spaces, so
908 this command moves the object 1 staff space to the right, and 2 spaces up.
909
910 Procedures for working with offsets are found in @file{scm/lily-library.scm}.
911
912 @subheading Fractions
913
914 Fractions as used by LilyPond are again stored as @emph{pairs}, this
915 time of unsigned integers.  While Scheme can represent rational numbers
916 as a native type, musically @samp{2/4} and @samp{1/2} are not the same,
917 and we need to be able to distinguish between them.  Similarly there are
918 no negative @q{fractions} in LilyPond's mind.  So @code{2/4} in LilyPond
919 means @code{(2 . 4)} in Scheme, and @code{#2/4} in LilyPond means
920 @code{1/2} in Scheme.
921
922 @subheading Extents
923
924 Pairs are also used to store intervals, which represent a range of numbers
925 from the minimum (the @code{car}) to the maximum (the @code{cdr}).
926 Intervals are used to store the X- and Y- extents of printable objects.
927 For X extents, the @code{car} is the left hand X coordinate, and the
928 @code{cdr} is the right hand X coordinate.  For Y extents, the @code{car}
929 is the bottom coordinate, and the @code{cdr} is the top coordinate.
930
931 Procedures for working with intervals are found in
932 @file{scm/lily-library.scm}.  These procedures should be used when possible
933 to ensure consistency of code.
934
935 @subheading Property alists
936
937 A property alist is a LilyPond data structure that is an alist whose
938 keys are properties and whose values are Scheme expressions that give
939 the desired value for the property.
940
941 LilyPond properties are Scheme symbols, such as @code{'thickness}.
942
943 @subheading Alist chains
944
945 An alist chain is a list containing property alists.
946
947 The set of all properties that will apply to a grob is typically
948 stored as an alist chain.  In order to find the value for a particular
949 property that a grob should have, each alist in the chain is searched in
950 order, looking for an entry containing the property key.  The first alist
951 entry found is returned, and the value is the property value.
952
953 The Scheme procedure @code{chain-assoc-get} is normally used to get
954 grob property values.
955
956 @node Internal music representation
957 @subsection Internal music representation
958
959 Internally, music is represented as a Scheme list.  The list contains
960 various elements that affect the printed output.  Parsing is the process
961 of converting music from the LilyPond input representation to the
962 internal Scheme representation.
963
964 When a music expression is parsed, it is converted into a set of
965 Scheme music objects.  The defining property of a music object is that
966 it takes up time.  The time it takes up is called its @emph{duration}.
967 Durations are expressed as a rational number that measures the length
968 of the music object in whole notes.
969
970 A music object has three kinds of types:
971 @itemize
972 @item
973 music name: Each music expression has a name.  For example, a note
974 leads to a @rinternals{NoteEvent}, and @code{\simultaneous} leads to
975 a @rinternals{SimultaneousMusic}.  A list of all expressions
976 available is in the Internals Reference manual, under
977 @rinternals{Music expressions}.
978
979 @item
980 @q{type} or interface: Each music name has several @q{types} or
981 interfaces, for example, a note is an @code{event}, but it is also a
982 @code{note-event}, a @code{rhythmic-event}, and a
983 @code{melodic-event}.  All classes of music are listed in the
984 Internals Reference, under
985 @rinternals{Music classes}.
986
987 @item
988 C++ object: Each music object is represented by an object of the C++
989 class @code{Music}.
990 @end itemize
991
992 The actual information of a music expression is stored in properties.
993 For example, a @rinternals{NoteEvent} has @code{pitch} and
994 @code{duration} properties that store the pitch and duration of that
995 note.  A list of all properties available can be found in the
996 Internals Reference, under @rinternals{Music properties}.
997
998 A compound music expression is a music object that contains other
999 music objects in its properties.  A list of objects can be stored in
1000 the @code{elements} property of a music object, or a single @q{child}
1001 music object in the @code{element} property.  For example,
1002 @rinternals{SequentialMusic} has its children in @code{elements},
1003 and @rinternals{GraceMusic} has its single argument in
1004 @code{element}.  The body of a repeat is stored in the @code{element}
1005 property of @rinternals{RepeatedMusic}, and the alternatives in
1006 @code{elements}.
1007
1008 @node Building complicated functions
1009 @section Building complicated functions
1010
1011 This section explains how to gather the information necessary
1012 to create complicated music functions.
1013
1014 @menu
1015 * Displaying music expressions::
1016 * Music properties::
1017 * Doubling a note with slurs (example)::
1018 * Adding articulation to notes (example)::
1019 @end menu
1020
1021 @node Displaying music expressions
1022 @subsection Displaying music expressions
1023
1024 @cindex internal storage
1025 @cindex displaying music expressions
1026 @cindex internal representation, displaying
1027 @cindex displayMusic
1028 @funindex \displayMusic
1029
1030 When writing a music function it is often instructive to inspect how
1031 a music expression is stored internally.  This can be done with the
1032 music function @code{\displayMusic}
1033
1034 @example
1035 @{
1036   \displayMusic @{ c'4\f @}
1037 @}
1038 @end example
1039
1040 @noindent
1041 will display
1042
1043 @example
1044 (make-music
1045   'SequentialMusic
1046   'elements
1047   (list (make-music
1048           'NoteEvent
1049           'articulations
1050           (list (make-music
1051                   'AbsoluteDynamicEvent
1052                   'text
1053                   "f"))
1054           'duration
1055           (ly:make-duration 2 0 1 1)
1056           'pitch
1057           (ly:make-pitch 0 0 0))))
1058 @end example
1059
1060 By default, LilyPond will print these messages to the console along
1061 with all the other messages.  To split up these messages and save
1062 the results of @code{\display@{STUFF@}}, redirect the output to
1063 a file.
1064
1065 @example
1066 lilypond file.ly >display.txt
1067 @end example
1068
1069 With a combined bit of Lilypond and Scheme magic, you can actually
1070 let Lilypond direct just this output to a file of its own:
1071
1072 @example
1073 @{
1074   $(with-output-to-file "display.txt"
1075       (lambda () #@{ \displayMusic @{ c'4\f @} #@}))
1076 @}
1077 @end example
1078
1079
1080 A bit of reformatting makes the above information easier to read:
1081
1082 @example
1083 (make-music 'SequentialMusic
1084   'elements (list
1085              (make-music 'NoteEvent
1086                'articulations (list
1087                                (make-music 'AbsoluteDynamicEvent
1088                                  'text
1089                                  "f"))
1090                'duration (ly:make-duration 2 0 1 1)
1091                'pitch    (ly:make-pitch 0 0 0))))
1092 @end example
1093
1094 A @code{@{ ... @}} music sequence has the name @code{SequentialMusic},
1095 and its inner expressions are stored as a list in its @code{'elements}
1096 property.  A note is represented as a @code{NoteEvent} object (storing
1097 the duration and pitch properties) with attached information (in this
1098 case, an @code{AbsoluteDynamicEvent} with a @code{"f"} text property)
1099 stored in its @code{articulations} property.
1100
1101 @funindex{\void}
1102 @code{\displayMusic} returns the music it displays, so it will get
1103 interpreted as well as displayed.  To avoid interpretation, write
1104 @code{\void} before @code{\displayMusic}.
1105
1106 @node Music properties
1107 @subsection Music properties
1108
1109 TODO -- make sure we delineate between @emph{music} properties,
1110 @emph{context} properties, and @emph{layout} properties.  These
1111 are potentially confusing.
1112
1113 Let's look at an example:
1114
1115 @example
1116 someNote = c'
1117 \displayMusic \someNote
1118 ===>
1119 (make-music
1120   'NoteEvent
1121   'duration
1122   (ly:make-duration 2 0 1 1)
1123   'pitch
1124   (ly:make-pitch 0 0 0))
1125 @end example
1126
1127 The @code{NoteEvent} object is the representation of @code{someNote}.
1128 Straightforward.  How about putting c' in a chord?
1129
1130 @example
1131 someNote = <c'>
1132 \displayMusic \someNote
1133 ===>
1134 (make-music
1135   'EventChord
1136   'elements
1137   (list (make-music
1138           'NoteEvent
1139           'duration
1140           (ly:make-duration 2 0 1 1)
1141           'pitch
1142           (ly:make-pitch 0 0 0))))
1143 @end example
1144
1145 Now the @code{NoteEvent} object is the first object of the
1146 @code{'elements} property of @code{someNote}.
1147
1148 The @code{display-scheme-music} function is the function used by
1149 @code{\displayMusic} to display the Scheme representation of a music
1150 expression.
1151
1152 @example
1153 #(display-scheme-music (first (ly:music-property someNote 'elements)))
1154 ===>
1155 (make-music
1156   'NoteEvent
1157   'duration
1158   (ly:make-duration 2 0 1 1)
1159   'pitch
1160   (ly:make-pitch 0 0 0))
1161 @end example
1162
1163 Then the note pitch is accessed through the @code{'pitch} property
1164 of the @code{NoteEvent} object,
1165
1166 @example
1167 #(display-scheme-music
1168    (ly:music-property (first (ly:music-property someNote 'elements))
1169                       'pitch))
1170 ===>
1171 (ly:make-pitch 0 0 0)
1172 @end example
1173
1174 The note pitch can be changed by setting this @code{'pitch} property,
1175
1176 @funindex \displayLilyMusic
1177
1178 @example
1179 #(set! (ly:music-property (first (ly:music-property someNote 'elements))
1180                           'pitch)
1181        (ly:make-pitch 0 1 0)) ;; set the pitch to d'.
1182 \displayLilyMusic \someNote
1183 ===>
1184 d'
1185 @end example
1186
1187
1188 @node Doubling a note with slurs (example)
1189 @subsection Doubling a note with slurs (example)
1190
1191 Suppose we want to create a function that translates input like
1192 @code{a} into @code{@{ a( a) @}}.  We begin by examining the internal
1193 representation of the desired result.
1194
1195 @example
1196 \displayMusic@{ a'( a') @}
1197 ===>
1198 (make-music
1199   'SequentialMusic
1200   'elements
1201   (list (make-music
1202           'NoteEvent
1203           'articulations
1204           (list (make-music
1205                   'SlurEvent
1206                   'span-direction
1207                   -1))
1208           'duration
1209           (ly:make-duration 2 0 1 1)
1210           'pitch
1211           (ly:make-pitch 0 5 0))
1212         (make-music
1213           'NoteEvent
1214           'articulations
1215           (list (make-music
1216                   'SlurEvent
1217                   'span-direction
1218                   1))
1219           'duration
1220           (ly:make-duration 2 0 1 1)
1221           'pitch
1222           (ly:make-pitch 0 5 0))))
1223 @end example
1224
1225 The bad news is that the @code{SlurEvent} expressions
1226 must be added @q{inside} the note (in its @code{articulations}
1227 property).
1228
1229 Now we examine the input,
1230
1231 @example
1232 \displayMusic a'
1233 ===>
1234 (make-music
1235   'NoteEvent
1236   'duration
1237   (ly:make-duration 2 0 1 1)
1238   'pitch
1239   (ly:make-pitch 0 5 0))))
1240 @end example
1241
1242 So in our function, we need to clone this expression (so that we have
1243 two notes to build the sequence), add a @code{SlurEvent} to the
1244 @code{'articulations} property of each one, and finally make a
1245 @code{SequentialMusic} with the two @code{EventChords}.  For adding to a
1246 property, it is useful to know that an unset property is read out as
1247 @code{'()}, the empty list, so no special checks are required before we
1248 put another element at the front of the @code{articulations} property.
1249
1250 @example
1251 doubleSlur = #(define-music-function (parser location note) (ly:music?)
1252          "Return: @{ note ( note ) @}.
1253          `note' is supposed to be a single note."
1254          (let ((note2 (ly:music-deep-copy note)))
1255            (set! (ly:music-property note 'articulations)
1256                  (cons (make-music 'SlurEvent 'span-direction -1)
1257                        (ly:music-property note 'articulations)))
1258            (set! (ly:music-property note2 'articulations)
1259                  (cons (make-music 'SlurEvent 'span-direction 1)
1260                        (ly:music-property note2 'articulations)))
1261            (make-music 'SequentialMusic 'elements (list note note2))))
1262 @end example
1263
1264
1265 @node Adding articulation to notes (example)
1266 @subsection Adding articulation to notes (example)
1267
1268 The easy way to add articulation to notes is to merge two music
1269 expressions into one context, as explained in @ruser{Creating contexts}.
1270 However, suppose that we want to write a music function that does this.
1271 This will have the additional advantage that we can use that music
1272 function to add an articulation (like a fingering instruction) to a
1273 single note inside of a chord which is not possible if we just merge
1274 independent music.
1275
1276 A @code{$variable} inside the @code{#@{...#@}} notation is like
1277 a regular @code{\variable} in classical LilyPond notation.  We
1278 know that
1279
1280 @example
1281 @{ \music -. -> @}
1282 @end example
1283
1284 @noindent
1285 will not work in LilyPond.  We could avoid this problem by attaching
1286 the articulation to an empty chord,
1287
1288 @example
1289 @{ << \music <> -. -> >> @}
1290 @end example
1291
1292 @noindent
1293 but for the sake of this example, we will learn how to do this in
1294 Scheme.  We begin by examining our input and desired output,
1295
1296 @example
1297 %  input
1298 \displayMusic c4
1299 ===>
1300 (make-music
1301   'NoteEvent
1302   'duration
1303   (ly:make-duration 2 0 1 1)
1304   'pitch
1305   (ly:make-pitch -1 0 0))))
1306 =====
1307 %  desired output
1308 \displayMusic c4->
1309 ===>
1310 (make-music
1311   'NoteEvent
1312   'articulations
1313   (list (make-music
1314           'ArticulationEvent
1315           'articulation-type
1316           "accent"))
1317   'duration
1318   (ly:make-duration 2 0 1 1)
1319   'pitch
1320   (ly:make-pitch -1 0 0))
1321 @end example
1322
1323 We see that a note (@code{c4}) is represented as an @code{NoteEvent}
1324 expression.  To add an accent articulation, an @code{ArticulationEvent}
1325 expression must be added to the @code{articulations} property of the
1326 @code{NoteEvent} expression.
1327
1328 To build this function, we begin with
1329
1330 @example
1331 (define (add-accent note-event)
1332   "Add an accent ArticulationEvent to the articulations of `note-event',
1333   which is supposed to be a NoteEvent expression."
1334   (set! (ly:music-property note-event 'articulations)
1335         (cons (make-music 'ArticulationEvent
1336                 'articulation-type "accent")
1337               (ly:music-property note-event 'articulations)))
1338   note-event)
1339 @end example
1340
1341 The first line is the way to define a function in Scheme: the function
1342 name is @code{add-accent}, and has one variable called
1343 @code{note-event}.  In Scheme, the type of variable is often clear
1344 from its name.  (this is good practice in other programming languages,
1345 too!)
1346
1347 @example
1348 "Add an accent..."
1349 @end example
1350
1351 @noindent
1352 is a description of what the function does.  This is not strictly
1353 necessary, but just like clear variable names, it is good practice.
1354
1355 You may wonder why we modify the note event directly instead of working
1356 on a copy (@code{ly:music-deep-copy} can be used for that).  The reason
1357 is a silent contract: music functions are allowed to modify their
1358 arguments: they are either generated from scratch (like user input) or
1359 are already copied (referencing a music variable with @samp{\name} or
1360 music from immediate Scheme expressions @samp{$(@dots{})} provides a
1361 copy).  Since it would be inefficient to create unnecessary copies, the
1362 return value from a music function is @emph{not} copied.  So to heed
1363 that contract, you must not use any arguments more than once, and
1364 returning it counts as one use.
1365
1366 In an earlier example, we constructed music by repeating a given music
1367 argument.  In that case, at least one repetition had to be a copy of its
1368 own.  If it weren't, strange things may happen.  For example, if you use
1369 @code{\relative} or @code{\transpose} on the resulting music containing
1370 the same elements multiple times, those will be subjected to
1371 relativation or transposition multiple times.  If you assign them to a
1372 music variable, the curse is broken since referencing @samp{\name} will
1373 again create a copy which does not retain the identity of the repeated
1374 elements.
1375
1376 Now while the above function is not a music function, it will normally
1377 be used within music functions.  So it makes sense to heed the same
1378 contract we use for music functions: the input may be modified for
1379 producing the output, and the caller is responsible for creating copies
1380 if it still needs the unchanged argument itself.  If you take a look at
1381 LilyPond's own functions like @code{music-map}, you'll find that they
1382 stick with the same principles.
1383
1384 Where were we?  Now we have a @code{note-event} we may modify, not
1385 because of using @code{ly:music-deep-copy} but because of a long-winded
1386 explanation.  We add the accent to its @code{'articulations} list
1387 property.
1388
1389 @example
1390 (set! place new-value)
1391 @end example
1392
1393 Here, what we want to set (the @q{place}) is the @code{'articulations}
1394 property of @code{note-event} expression.
1395
1396 @example
1397 (ly:music-property note-event 'articulations)
1398 @end example
1399
1400 @code{ly:music-property} is the function used to access music properties
1401 (the @code{'articulations}, @code{'duration}, @code{'pitch}, etc, that we
1402 see in the @code{\displayMusic} output above).  The new value is the
1403 former @code{'articulations} property, with an extra item: the
1404 @code{ArticulationEvent} expression, which we copy from the
1405 @code{\displayMusic} output,
1406
1407 @example
1408 (cons (make-music 'ArticulationEvent
1409         'articulation-type "accent")
1410       (ly:music-property result-event-chord 'articulations))
1411 @end example
1412
1413 @code{cons} is used to add an element to the front of a list without
1414 modifying the original list.  This is what we want: the same list as
1415 before, plus the new @code{ArticulationEvent} expression.  The order
1416 inside the @code{'articulations} property is not important here.
1417
1418 Finally, once we have added the accent articulation to its
1419 @code{articulations} property, we can return @code{note-event}, hence
1420 the last line of the function.
1421
1422 Now we transform the @code{add-accent} function into a music
1423 function (a matter of some syntactic sugar and a declaration of the type
1424 of its sole @q{real} argument).
1425
1426 @example
1427 addAccent = #(define-music-function (parser location note-event)
1428                                      (ly:music?)
1429   "Add an accent ArticulationEvent to the articulations of `note-event',
1430   which is supposed to be a NoteEvent expression."
1431   (set! (ly:music-property note-event 'articulations)
1432         (cons (make-music 'ArticulationEvent
1433                 'articulation-type "accent")
1434               (ly:music-property note-event 'articulations)))
1435   note-event)
1436 @end example
1437
1438 We may verify that this music function works correctly,
1439
1440 @example
1441 \displayMusic \addAccent c4
1442 @end example
1443
1444
1445
1446
1447
1448 @ignore
1449 @menu
1450 * Tweaking with Scheme::
1451 @end menu
1452
1453 @c @nod e Tweaking with Scheme
1454 @c @sectio n Tweaking with Scheme
1455
1456 We have seen how LilyPond output can be heavily modified using
1457 commands like
1458 @code{\override TextScript #'extra-offset = ( 1 . -1)}.  But
1459 we have even more power if we use Scheme.  For a full explanation
1460 of this, see the @ref{Scheme tutorial}, and
1461 @ref{Interfaces for programmers}.
1462
1463 We can use Scheme to simply @code{\override} commands,
1464
1465 TODO Find a simple example
1466 @c This isn't a valid example with skylining
1467 @c It works fine without padText  -td
1468 @end ignore
1469
1470 @ignore
1471 @lilypond[quote,verbatim,ragged-right]
1472 padText = #(define-music-function (parser location padding) (number?)
1473 #{
1474   \once \override TextScript #'padding = #padding
1475 #})
1476
1477 \relative c''' {
1478   c4^"piu mosso" b a b
1479   \padText #1.8
1480   c4^"piu mosso" d e f
1481   \padText #2.6
1482   c4^"piu mosso" fis a g
1483 }
1484 @end lilypond
1485 @end ignore
1486
1487 @ignore
1488 We can use it to create new commands:
1489
1490 @c Check this is a valid example with skylining
1491 @c It is - 'padding still works
1492
1493
1494 @lilypond[quote,verbatim,ragged-right]
1495 tempoPadded = #(define-music-function (parser location padding tempotext)
1496   (number? string?)
1497 #{
1498   \once \override Score.MetronomeMark #'padding = $padding
1499   \tempo \markup { \bold #tempotext }
1500 #})
1501
1502 \relative c'' {
1503   \tempo \markup { "Low tempo" }
1504   c4 d e f g1
1505   \tempoPadded #4.0 #"High tempo"
1506   g4 f e d c1
1507 }
1508 @end lilypond
1509
1510
1511 Even music expressions can be passed in:
1512
1513 @lilypond[quote,verbatim,ragged-right]
1514 pattern = #(define-music-function (parser location x y) (ly:music? ly:music?)
1515 #{
1516   $x e8 a b $y b a e
1517 #})
1518
1519 \relative c''{
1520   \pattern c8 c8\f
1521   \pattern {d16 dis} { ais16-> b\p }
1522 }
1523 @end lilypond
1524 @end ignore