从Hello World到defmacro，那些让我惊了个呆的代码！

时间：2015-09-16 18:07:18 阅读：348 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

标签：lisp scheme java c defmacro

前言

自从看到那个征文活动便灵感突现，这是个为大家介绍Lisp语言的机会，也是个赞扬最让我心动的语言的机会。

毕竟还是学生党，还未有太多时间来学习它，但内心满满的都是热爱与兴奋。文中如有疏漏，还请各位指教！

一次偶然在《黑客与画家》第二版中了解到这门神奇的语言，瞬间便被”洗脑“，立刻找到一大堆资料，前前后后的兴奋的学了几个月，无奈于就业压力，还是选择先将C++/Java等作为主力。

这篇文章主要面向没见过Lisp语言的同学，否则就会觉得这些太简单了，Lisp的博大精深也不是能三两句话讲个明白的。

我并不喜欢讲废话，所以，开始吧！

Hello World

曾看到有人将Common Lisp的Hello World程序来同C++、Java等做对比。在这里并不需要函数或方法，更不需要类，一行代码足矣：

CL-USER> "hello, world"
"hello, world"

那么这是怎么回事呢？因为在这里字符串有着Lisp能够理解的字面语法并且它是自求值对象。

你觉得这没有打印（Print）出来，所以还不完整么？没问题：

CL-USER> (format t "hello, world")
hello, world
NIL

NIL可不是表示出了错，而是像你们所知道的”return 0;“一样是FORMAT语句的返回。

你还觉得不服认为没有用到函数？满足你！

CL-USER> (defun hello-world() (format t "hello, world"))
HELLO-WORLD

上面就是函数的定义了，接下来，就让我们使用它来打印吧！

CL-USER> (hello-world)
hello, world
NIL

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好了，这种小儿科的hello world就不继续了，来点炫酷的。

100的阶层

看到这个标题可能有同学会想到，”100的阶层，哦，就是1乘以2乘以3，一直乘到100……for循环就能搞定了。”

那么试试呢？

要用int？还是用long？亦或long long？

那1000的阶层呢，10000的阶层呢？

然而在Lisp中，很容易就可以求出来：

CL-USER> (defun fact (n)
            (if (= n 1)
                1
                (* n (fact (- n 1)))))
FACT

(define (fact n)
    (if (= n 1)
        1 
        (* n (fact (- n 1)))))
;Value: fact

上面两段代码分别是Common Lisp和Scheme方言的，没错，是方言。

但当真能求100的阶层么？有图有真相！

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Lambda表达式

C#在2007年发布C# 3.0中引进了Lambda，C++在2011年发布的C++11版中引进了Lambda，Java则在2014年发布的Java SE 8中引进了Lambda。而以Lambda为核心的Lisp则在半个世纪前就用上了这一特性。

Lisp能够以此为基础做些什么呢？

这是一门函数式语言，数学是基础，下面就来看看丘奇计数（由数理逻辑学家Alonzo Church发明，其还发明了 $\lambda$ 演算）。

如SICP这本书的练习2.6（相关的习题解见此专栏：SICP练习）所介绍：在一个对过程做各种操作的语言里，我们完全可以没有数（至少在只考虑非负整数的情况下）。大家编程的时候相比都要用到各种数字，而在这里，我们可以将0和加一实现为：

(define zero (lambda (f) (lambda (x) x)))
(define (add-1 n)
    (lambda (f) (lambda (x) (f ((n f) x)))))

以上这种表示形式就是Church计数。

那么有了0和“加一”该如何定义1呢，其实也不难，对0执行“加一”操作不就等于1了嘛。使用一张之前我博客上用过的图：

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所以1就可以用如下定义了：

(define one (lambda (f) (lambda (x) (f x))))

同样，通过

(add-1 one)

还可以来定义出 $two$ ，以此便可以无限定义下去，无限，无限，无限……

无穷流

既然谈到了“无限”，那怎么能错过无穷流呢？

流，大家自然都用过，但在这里它还能够表示无穷长的序列。下面就是一个承载了所有正整数的流的定义：

(define (integers-starting-from n)
    (cons-stream n (integers-starting-from (+ n 1))))
(define integers (integers-starting-from 1))

其中的 $integers-starting-from$ 是函数名，在函数内部又调用了其自身，这就是递归了，而Lisp最常用的就是递归。

右边的 $n$ 则是传入的参数，在函数内部通过 $(+ n 1)$ 这个前缀表达式不断的更新参数，最后通过 $cons-stream$ 来持续构造这个流。

第一段代码定义了一个函数，第二段代码则定义了一个变量，它以 $1$ 为参数传入 $integers-starting-from$ 构造出“1、2、3、4……”这一无穷流。

虽然无法打印出来（但这也并不需要诧异，如果真打印出来了，真个地球的纸张也不够吧），但依旧可以取出来。

C系语言中有 $pointer$ 、有 $index$ ，而在这里有 $car$ 和 $cdr$ 。

$car$ 用于取出序列的头部， $cdr$ 用于取出序列头部以外的所有部分。所以在此处用 $car$ 取出的就是1，用 $cdr$ 取出的就是以2为起始的无穷流。

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这篇文章通过新奇的代码以引起同学们的兴趣，虽然体现了Lisp的部分威力，但它能做的远不仅于此。在一个流中加上 $filter$ 过滤器，便可以制成信号处理系统，此处的信号可以是太多因素了，这俨然已经上升到了工业级。

Loop

Loop Example 1

好吧，我承认，这个小标题不像前面的lambda和无穷流那样吸引人，但是此处的loop可是功能多多哦。

通过 $in$ 便列出了序列 $(1 2 3 4)$ 中的所有数。

CL-USER> (loop for x in (list 1 2 3 4) collect x)
(1 2 3 4)

这并不稀奇，但是再加上 $by$ 呢。

CL-USER> (loop for x in (list 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12)
              by #‘cdddr collect x)
(1 4 7 10)

介词这么多，再来一个怎么样？用 $on$ 来构成列表。

CL-USER> (loop for x on
              (loop for y in
                   (list 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15)
                   by #‘cdddr collect y)
              by #‘cdr collect x)
((1 4 7 10 13) (4 7 10 13) (7 10 13) (10 13) (13))

Loop Example 2

还不够炫酷？再来！

CL-USER> (loop repeat 10
              for x = 0 then y
              for y = 1 then (+ x y)
              collect y)
(1 2 4 8 16 32 64 128 256 512)

这段代码主要体现了迭代的思想，大家看看如下迭代过程便能明白，其中 $repeat$ 表示迭代（重复）的次数。

x=0->1->2->4->8->16->32->64->128->256
y=1->2->4->8->16->32->64->128->256->512

还记得斐波那契数列么？将第二个for改成and，利用这种方式来求斐波那契数列是不是拽到没朋友？

CL-USER> (loop repeat 10
              for x = 0 then y
              for y = 1 then (+ x y)
              collect y)
(1 2 4 8 16 32 64 128 256 512)
CL-USER> (loop repeat 10
              for x = 0 then y
              and y = 1 then (+ x y)
              collect y)
(1 1 2 3 5 8 13 21 34 55)

Loop Example 3

用C#的同学对其中的LINQ想必是觉得很厉害了，在这里也有类似的方式。

CL-USER> (loop for i from 1 to 100
            when (evenp i) sum i)
2550

这里的 $evenp$ 是一个谓词，用于判断 $i$ 是否是偶数，在这里是累加了1到100的所有偶数，当然你也可以将它们直接打印出来。

(if (loop for i in ‘(1 3 5 7 9)
                  always (oddp i))
             (print "Oh, yeah!"))

"Oh, yeah!" 
"Oh, yeah!"

这里的 $oddp$ 就是判断奇数的谓词了。咦，这里怎么会有两个”Oh,year!”呢，莫激动，前面的是打印，后面的是返回。

宏

有没有同学没有听说过“可编程的编程语言”，这就是Lisp，而正是依靠“宏”它才是可编程的。

在写算法题的时候以下类似的代码是不是非常常用？

#define MAX 10000

它可以被理解为一个微型的宏，最为一个半个世纪历史的语言，Lisp早已将宏做的出神入化了。引用一段话：

当你开始撰写宏时，你需要像语言设计者一样思考。

我们继续从 $for$ 开始，假设我们想打印出1到8中每个数的平方，你可以这样写：

for(int i=1;i<=8;i++)

但是呢，程序员嘛，就是这么任性，咱自己写一个 $for$ 吧。天方夜谭？不不不……

CL-USER> (defmacro for (var start stop &body body)
           (let ((gstop (gensym)))
             `(do ((,var ,start (1+ ,var))
                   (,gstop ,stop))
                  ((> ,var ,gstop))
                ,@body)))
FOR
CL-USER> (for x 1 8
           (princ (* x x)))
1491625364964
NIL

上面这个 $for$ 还有下面的这个 $random-choice$ 都是前辈Paul Graham所写，在这里作为例子非常合适。

大家知道函数/方法的参数是给定的，但能不能选取其中一个参数进行求值呢？没错，当然可以。

(defmacro random-choice (&rest exprs)
  `(case (random ,(length exprs))
     ,@(let ((key -1))
         (mapcar #‘(lambda (expr)
                     `(,(incf key) ,expr))
                 exprs))))