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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 和选择函数。构造函数构建列表,选择函数分解列表。
first 和
rest 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。
cons、
list 和
append 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
2012年10月22日 07点10分
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> (cons 'lions '(tigers bears)) (LIONS TIGERS BEARS) > (list 'lions 'tigers 'bears) (LIONS TIGERS BEARS) > (append '(lions) '(tigers bears)) (LIONS TIGERS BEARS)
将
cons 与
first、
rest 一起用时可以构建任何列表。
list 和
append 运算符只是为了方便,但经常会用到它们。事实上,可以使用
cons、
first 和
rest 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
cons 和
first、
rest 一起使用,来模拟
list 和
append。
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。
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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。
2012年10月22日 07点10分
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Lisp 条件语句将 true/false 表达式和代码一起使用。
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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
first 和
rest 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
first 和
rest 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)。
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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 和
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。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。
2012年10月22日 07点10分
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2012年11月26日 13点11分