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跨越边界

Lisp 之美

编程语言的王道

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我最近第一次完成了马拉松赛跑,我发现跑步比我预想的更有价值。我跑了 26.2 英里,通过该步骤,我开始认为这是对身体非常有益的简单活动。一些语言给了我类似的感觉,如 Smalltalk 和 Lisp。对 Smalltalk 来说,引发类似感觉的是对象;Smalltalk 中的一切内容都是在处理对象和消息传递。对于 Lisp 来说,这个至为重要的步骤更为简单。这门语言完全由列表组成。但不要被这个简单的假相所欺骗。这门有着 48 年历史的语言具有难以置信的强大功能和灵活性,这是 Java 语言所不能企及的。

第一次和 Lisp 打交道时,我还是在校大学生,但这次不是很顺利。因为我拼命地想把 Lisp 编入到熟悉的过程化范例中,而不是在 Lisp 的函数结构下工作。尽管 Lisp 并不是一门严格的函数语言(因为一些特性,它不符合最严格的术语定义),但 Lisp 的许多习语和特性有着很强的函数风格。从那以后,我学会了利用列表和函数式编程。

本期的跨越边界 将重拾这份遗失的财富。我会带您简单地领略一下 Lisp 的基本构造,然后快速的扩展开来。您将学到 Lambda 表达式、递归和宏。这份简单的向导会让您对 Lisp 的高效性和灵活性有所理解。

入门

本文使用 GNU 的 GCL,它针对许多操作系统都有免费下载。但稍作修改,就能使用任何版本的 Common Lisp。请参见 参考资料 获取可用 Lisp 版本的详细说明。

和学习大多数其他语言一样,学习 Lisp 最好的方法就是实践。打开您的解释程序,和我一起编码。Lisp 基本上是一门编译好的语言,通过直接键入命令,就可以轻松地用它进行编程。

列表语言

基本上,Lisp 是一门关于列表的语言。Lisp 中的一切内容(从数据到组成应用程序的代码)都是列表。每个列表都由一些原子 和列表组成。数字就是原子。键入一个数字仅仅会返回该数字作为结果:

清单 1. 简单原子
>1
1
>a
Error: The variable A is unbound.

如果键入一个字母,解释程序会报错,如清单 1 所示。字母是变量,所以使用之前必须先为其赋值。如果想要引用一个字母或词语而不是变量,请使用引号将其括起来。在变量前加单引号告诉 Lisp 延迟对后续列表或原子进行求值,如清单 2 所示:

清单 2. 延迟求值和引用
>"a"
"a"
>'a
A

请注意 Lisp 把 a 大写为 A。lisp 假设您希望使用 A 作为符号,因为它没有加括号。后面会讨论赋值,但先要让列表来完成这一任务。简单地讲,Lisp 列表是加了括号并使用空格隔开的原子序列。尝试如清单 3 所示键入一个列表。这个列表是无效的,除非在列表前面加上 '。

清单 3. 键入一个简单列表
>(1 2 3)
Error: 1 is invalid as a function.
>'(1 2 3)
(1 2 3)

除非在列表前加上 ',否则 Lisp 会像对函数求值那样对每个列表求值。第一个原子是运算符,列表中其余的原子是参数。Lisp 有数目众多的原语函数,正如您预料的那样,其中包括许多数学函数,例如,+、* 和 sqrt(+ 1 2 3) 返回 6(* 1 2 3 4) 返回 24

操纵列表的有两类函数:构造函数选择函数。构造函数构建列表,选择函数分解列表。firstrest 是核心选择函数。first 选择函数返回列表的第一个原子,rest 选择函数返回除第一个原子外的整个列表。清单 4 显示了这两个选择函数:

清单 4. 基本 Lisp 函数
> (first '(lions tigers bears))
LIONS

> (rest '(lions tigers bears))
(TIGERS BEARS)

这两个选择函数都获取整个列表,返回列表的主要片断。稍后,您将了解递归如何利用这些选择函数。

如果希望构建列表而不是将其分开,就需要构造函数。与在 Java 语言中一样,构造函数构建新元素:在 Java 语言中为对象,在 Lisp 中即为列表。conslistappend 是构造函数示例。核心构造函数 cons 带有两个参数:一个原子和一个列表。cons 将该原子作为第一个元素添加到该列表。如果对 nil 调用 cons,Lisp 将 nil 作为空列表对待,并构建一个含一个元素的列表。append 连接两个列表。list 包含一个由所有参数组成的列表。清单 5 显示了这些构造函数的实际应用:

清单 5. 使用构造函数
> (cons 'lions '(tigers bears))
(LIONS TIGERS BEARS)

> (list 'lions 'tigers 'bears)
(LIONS TIGERS BEARS)

> (append '(lions) '(tigers bears))
(LIONS TIGERS BEARS)

consfirstrest 一起用时可以构建任何列表。listappend 运算符只是为了方便,但经常会用到它们。事实上,可以使用 consfirstrest 来构建任何列表,或返回任何列表片段。例如,要获取列表的第二或第三个元素,应该获取 rest 中的 first,或 rest 中的 rest 中的 first,如清单 6 所示。或者,若要构建包含两个或三个元素的列表,可以将 consfirstrest 一起使用,来模拟 listappend

清单 6. 构建第二个元素、第三个元素,然后模拟 list 和 append
>(first (rest '(1 2 3)))
2

>(first (rest (rest '(1 2 3))))
3

>(cons '1 (cons '2 nil))
(1 2)

>(cons '1 (cons '2 (cons '3 nil)))
(1 2 3)

>(cons (first '(1)) '(2 3))
(1 2 3)

这些示例也许无法引起您的兴趣,但在如此简单的原语之上构建一门简洁优美的语言,其中的原理让一些程序员激动不已。这些由列表构建的简单指令构成了递归、高阶函数,甚至是闭包和 continuation 之类高级抽象的基础。因此下面将研究高级抽象。

构建函数

可以猜到,Lisp 函数声明为列表。清单 7 构建了一个返回列表第二个元素的函数,展示了函数声明的形式:

清单 7. 构建第二个函数
(defun my_second (lst)
  (first (rest lst))
)

defun 是用于定义自定义函数的函数。第一个参数是函数名,第二个参数是参数列表,第三个参数是希望执行的代码。可以看出,所有 Lisp 代码都表述为列表。借助这项灵活和强大的功能,就可以像操纵其他任何数据一样操纵应用程序。稍后将看到一些示例使代码和数据之间的区别变得模糊。

Lisp 也处理条件结构,如 if 语句。格式为 (if condition_statement then_statement else_statement)。清单 8 是一个简单的 my_max 函数,用于计算两个输入变量中的最大值:

清单 8. 计算两个整数中的最大值
(defun my_max (x y)
  (if (> x y) x y)
)

MY_MAX
(my_max 2 5)

5
(my_max 6 1)

6

下面回顾一下到目前为止看到的内容:

  • Lisp 使用列表和原子来表示数据和程序。
  • 对列表求值时将第一个元素看作列表函数,将其他元素看作函数参数。
  • Lisp 条件语句将 true/false 表达式和代码一起使用。

递归

Lisp 提供用于迭代的编码结构,但递归是更受欢迎的列表遍历方式。使用 firstrest 组合实现递归效果很好。清单 9 中的 total 函数显示了其运行原理:

清单 9. 使用递归计算列表的总和
>(defun total (x)
  (if (null x)
    0
    (+ (first x) (total (rest x)))
  )
)

TOTAL
>(total '(1 5 1))

7

清单 9 中的 total 函数将列表当作单个的参数。第一个 if 语句在列表为空的情况下中断递归,返回零值。否则,该函数将第一个元素添加到列表其余部分的总和。现在应该明白如此构建 firstrest 的原因。first 能够去除列表的第一个元素,rest 简化了将尾部递归 (清单 9 中的递归类型)应用于列表其余部分的过程。

由于性能的原因,Java 语言中的递归是有限的。Lisp 提供一项称作尾部递归优化 的性能优化技术。Lisp 编译器或解释器能够将特定形式的递归翻译为迭代,从而允许以一种更为简单明快的方式来使用递归数据结构(如树结构)。

高阶函数

如果模糊了数据和代码之间的区别,Lisp 会更有意思。在本系列的前两篇文章中,介绍了 JavaScript 中的高阶函数Ruby 中的闭包。这两项功能都将函数作为参数进行传递。在 Lisp 中,由于函数和列表没有任何区别,高阶函数也就非常简单。

高阶函数的最常见用法或许是 lambda 表达式,这是闭包的 Lisp 版。lambda 函数是用于将高阶函数传入 Lisp 函数的函数定义。例如,清单 10 中的 lambda 表达式计算了两个整数的和:

清单 10. Lambda 表达式
>(setf total '(lambda (a b) (+ a b)))
(LAMBDA (A B) (+ A B))

>total
(LAMBDA (A B) (+ A B))

>(apply total '(101 102))
203

如果使用过高阶函数或闭包,那么可能更容易理解清单 10 中的代码。第一行代码定义了一个 lambda 表达式并将其和 total 符号绑定到一起。第二行代码仅显示了这个和 total 绑定到一起的 lambda 表达式。最终,最后一个表达式对包含 (101 102) 的列表应用这个 lambda 表达式。

高阶函数提供比面向对象概念更高层次的抽象。可以用它们来更简洁清晰地表达想法。编程的至高境界就是在不牺牲可读性或性能的前提下,用更少的代码提供更强大更灵活的功能。高阶函数能实现所有这些要求。

Lisp 还有两种类型的高阶函数。其中功能最强大的可能是。宏为后面的执行定义 Lisp 对象。可以将宏看作代码模板。请参考清单 11 中的示例:

清单 11. 宏
>(defmacro times_two (x) (* 2 x))
TIMES_TWO

>(setf a 4)
4

>(times_two a)
8

这个示例应该分为两个阶段进行阅读。第一次赋值定义了宏 times_two。在第二个阶段(称为宏扩展)中,在对 a 求值之前,将 a 扩展为 (* 2 a)。该模板中这项延迟求值方式使宏的功能非常强大。Lisp 语言本身的许多功能都是基于宏的。

结束语

从年份上讲,Lisp 也许很陈旧,甚至语法也很陈旧。但如果稍作研究,就会发现该语言有着难以置信的强大功能,它的高阶抽象一如既往地有效,并且生产力很高。许多更为现代的语言从 Lisp 中得到借鉴,但是其中大多数语言的功能无法与 Lisp 媲美。如果 Lisp 拥有 Java 或 .NET 的一部分市场,并且大学中具备 lisp 知识的人也占有一定的比例,我们可能就会立即用它进行编码。


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Zone=Java technology
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ArticleTitle=跨越边界: Lisp 之美
publish-date=03052007