Common Lisp笔记

在计划学习函数式编程的时候，我一开始打算学习的是 F#。因为我朋友就是在 DTU 上的学，F# 就是 DTU（丹麦理工）开发的。但是由于 F# 和微软的 .NET 绑定，而在 macOS 上，目前版本的 .NET 的是有些问题的，开发非常繁琐，而且某些错误会导致整个解决方案出错，需要重建整个项目。最后就还是选择了 Common Lisp 这个非常古早的函数式编程语言作为开始，后续如果再需要学习 F# 可能也会更快速和容易一些。Lisp 的各种实现都有自己的一些特性，有一些实现还与 C、Java 等语言可以融合使用，你可以在Common Lisp implementation这个网站看到一个表格，介绍了很多各种各样的实现。

本文使用 SBCL。虽然其他实现可能在使用和处理错误信息的方法上略有不同，但是思路还是差不多的。

下文中，所有* 开头的代码行都是要输入的，*是输入提示符。出现输入提示符的则是最外层，或者叫做最顶层，英文为“Top Level”

退出使用(quit)，新手一定注意要有这个括号。

函数式编程

什么叫函数式编程

Lisp 是经常被称为函数式语言，那什么叫做函数式编程呢？

现在很多人都了解面对对象编程范式，因为很多人第一次听到 C++ 都会被强调面对对象的特性（但是如果你看 C++ 官网，并没有这么强调过，提及都很少）。

面对对象是将事物抽象成多种类，从语言上来说，更多的是使用类的成员函数修改类的成员变量。

函数式编程就是使用返回值进行编程，而不是修改某些东西进行编程。

函数式和面对对象的区别

学生系统是个不错的例子：我们需要记录每个学生的学号、姓名、性别、年级、成绩。

如果是面对对象编程，那么就使用一个类，声明这些属性和对应的成员函数。这样每个学生都是使用该类创建的一个对象。

如果是函数式函数，有多少个学生就要多少个变量，所以实际上是依次存放在一个文件中，对文件进行读取（想想 Linux 的passwd文件）。

这时候你可能会想，那函数式编程范式不行啊，这也太复杂了，怪不得被淘汰了。

但是你想想，函数式编程真的被淘汰了吗？

当你编写图像编辑器、语音处理等程序的时候，使用的不是处理函数的返回值么？

当然，绝大多数语言是将多种编程范式混合在一起的，也就是说一种语言不仅有一种编程范式。所以除非考试，不然不要在脑海里将很多边界模糊的概念分的很细。

比如本文的 Common Lisp，也可以实现面对对象编程范式。而且“面对对象（object oriented）”最早当作属于的时候，里面的“对象（object）”一词，是指具有可识别属性的 Lisp 原子（原子是 Lisp 语言的一个概念，下文会讲到）。

比如 C++ 11 新增的 Lambda 函数，你会发现这玩意虽然在 C++ 中常被叫做“表达式”，但是他就是函数，用的是返回值。

“Lambda”这个名称来自于数学的 $\lambda$ 演算（calculus），是一种定义和应用函数的数学系统（Lisp 虽然不是从这发展来的，但是后来吸收了不少相关概念）。

其实我觉得这是国内计算机教育哲学的一个巨大问题：单纯的把早的技术当作被淘汰的技术，盲目的教学新技术。或者学一些中间阶段流行的技术，而不去解释前因后果。这导致没有积累，更难构建自己的体系。

符号和字符串

符号（Symbols）是 Lisp 中与其他语言不同的数据类型之一，在其前面有个单引号'。符号就是单词，但是会将其转换成大写字母，如下：

* 'adkjgfjdasgf
ADKJGFJDASGF

如果你不想这样强行转换成大写字母，那么就使用字符串，和其他语言一样，使用双引号""包裹一段字符。如下：

* "Adad"  
"Adad"

如果什么符号都不用，那么会将其当成一个变量（前两行是声明变量，后两行是演示，具体后面会解释）：

* (setf x (list 'a 'b 'c))        
(A B C)
* x
(A B C)

你可能注意到这里使用了圆括号包裹住表达式了，还嵌套使用了。这是因为 Lisp 的核心就是列表，而括号内就是一个列表（list）。没有括号的被叫做原子（atom）。

如果没有这个变量，那么会进入 Debug 模式：

* a

debugger invoked on a UNBOUND-VARIABLE @547AA0E4 in thread
#<THREAD tid=259 "main thread" RUNNING {10042C0143}>:
  The variable A is unbound.

Type HELP for debugger help, or (SB-EXT:EXIT) to exit from SBCL.

restarts (invokable by number or by possibly-abbreviated name):
  0: [CONTINUE   ] Retry using A.
  1: [USE-VALUE  ] Use specified value.
  2: [STORE-VALUE] Set specified value and use it.
  3: [ABORT      ] Exit debugger, returning to top level.

(SB-INT:SIMPLE-EVAL-IN-LEXENV A #<NULL-LEXENV>)
0] 3
*

这时候输入提示符会变成0]，输入ABORT对应的数字（比如上面是3）即可返回。

如果没有任何提示，但是还在 Debug 模式，那么输入0即可。

表达式、列表和函数

Lisp 的核心就是表达式和列表。因为 Lisp 表达式中，只有原子（atom，比如1这种没有圆括号的）和列表（有圆括号）两种内容组成。

Lisp 的函数调用包裹在一对圆括号()之中。比如(+ 2 3)这行代码，+这个操作符就是一个函数，而后面的2和3是两个参数，参数类型取决于函数。

而(+ 2 3)这行代码，如果使用单引号'来引用（quote）代码，避免将其认为是一个函数调用。而这就是一个列表，会输出本身：

* '(+ 2 3)
(+ 2 3)

Lisp 中的列表，在一对圆括号中包裹 0 或多个元素，第一个元素为函数（表达式的操作符），后面的元素为参数。

简而言之，如果你不引用列表，那么会将其当做一个函数进行。

除了引用来创建一个列表，还可以使用list来建立一个列表：

* (list 'a 'b 'c)
(A B C)

列表里也可以使用表达式，如下：

* (list (+ 1 100) "Line" 'now)
(101 "Line" NOW)

比如这里的list是括号里第一个元素，并且没有引用，所以list就是一个函数。

列表

列表是 Lisp 的核心概念，Lisp 这个名字甚至就来自于列表处理器（List Processor）。

列表和符号的区别

列表和符号前面都有个单引号'，二者区别在于有没有那对圆括号。比如'a是个符号，而'(a)是个列表。

* 'a
A
* '(a)   
(A)

列表操作

下面介绍一些常对列表进行的操作。

拼接列表

cons会将第二个列表的内容接在第一个列表后面（注意不是拼在一起，而是接在一起，区别在于是否在旧的列表后面）。如下：

* (cons 'a '(b c d))
(A B C D)
* (cons '(a b) '(c d))     
((A B) C D)

如果不使用cons，那么会进入 Debug 模式。因为列表的第一个元素如果不是字符串或者符号，会被当做函数，但是作为函数又没有A这个函数或者不符合A的参数。

由于cons只能拼接两个列表，如果需要拼接多个还可以使用list：

* (list 'a 'b)   
(A B)
* (list 'a 'b 'c)
(A B C)
* (list 'a '(b c d))
(A (B C D))
* (list '(a b) '(c d))     
((A B) (C D))

获取列表的元素

使用car获取列表的第一个元素。如下：

* (car '(a b c))
A

使用cdr获取列表除了第一个元素之外的任何元素。如下：

* (cdr '(a b c))
(B C)

你可以使用car和cdr组合获取某一个元素，不过还有一些比较方便的函数，比如third来获取第三个：

* (third '(a b c d))
C

这种函数从first、second到tenth都有。

除此之外，你还可以使用nth函数和第一个参数来指定获取列表里的第几个元素。如下：

* (nth 11 '(a b c d e f g h i j k l m n o p q r))
L
* (nth 11 '(0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13))
11

if判断

真假值：谓语（predicates）

在 Common Lisp 中，一个返回真或假的函数被称为谓语。

按照惯例和风格指南，名称末尾加p。单个单词的名称直接加p，比如abstractp，而多个单词的使用-p，如request-throttled-p。

在 Common Lisp 中，假值返回是nil，也就是空列表。

假值或空列表：nil

在 Common Lisp 中，nil有两个含义。一个是空列表，一个是假值。

如果使用null函数（如果参数是空列表，返回真）查看nil，那么：

* (null nil) 
T

如果使用not函数（如果参数是假的，那么返回真），那么：

* (not nil)
T

在 Common Lisp 中，最简单的判断就是if，它使用三个参数：test 表达式、then 表达式以及 else 表达式（可选）。

test 表达式就是其他语言中常说的判断语句。不同之处在于，如果为真，那么执行then 表达式；但如果为假，那么执行 else 表达式。不像其他的语言中会有else和then这种关键词，也就是说，是按照顺序来决定哪部分是哪部分的。

如下（listp判断后面的参数是否为列表，如果是，返回真，反之为假），不过你可以写成一行（本文为了方便读者复制尝试，后续全部使用一行的）：

* (if (listp '(a b c))
	(+ 1 2)
	(+ 5 6))
3
* (if (listp 123)
	(+ 1 2)
	(+ 5 6))
11

如果没有 else 表达式，而 test 表达式为假，那么默认会返回nil。

这里解释一下下面这个例子，因为我在看《ANSI Common LISP》的时候第一眼给蒙住了。

* (if 27 1 2)
1

其中：

这里if是函数或者叫操作符；
27是test 表达式，除非是nil，不然就表示真；
1是then 表达式，1输入为1。
2是else 表达式，2输入为2。

定义函数

前文出现了很多如何调用函数的例子，但是如何声明一个新的函数呢？

使用defun来定义一个新的函数。defun通常使用三个或更多的参数：名称、参数列表，以及组成函数的表达式（也就是函数体）。

上面讲了如何操作列表，这里就用那些操作写一个函数mthird（为了与已有的third区分，开头加上m），来找到列表中第三个元素：

* (defun mthird (x) (car (cdr (cdr x))))
MTHIRD

使用如下：

* (mthird '(1 2 3 4))
3

需要注意，由于定义函数的时候是使用(x)，也就是一个参数，那么下面就得使用列表'(1 2 3 4)。

再来定义一个比大小的函数greater：

*  (defun greater (x y) (> x y))
GREATER
* (greater 1 4)
NIL
* (greater 5 3)
T

从上面的两个例子中可以看到，我们并不需要处理返回值及其类型，而是直接将最后一条表达式的结果当返回值返回了。

输入输出

输入输出是程序最重要的部分之一。

格式化输出

前文的诸多案例了都出现了 Common Lisp 直接输出的方法，但是如果需要格式化输出该怎么办呢？

输出方法如下：

* (format t "~A plus ~A equals ~A.~%" 2 3 (+ 2 3))
2 plus 3 equals 5.
NIL

其中：

这里format类似 C 中printf类的f的含义，表示格式化打印。
t表示输出到默认的位置，一般是最外层。这比较类似 C 的sprintf之类的指定输出位置类似。
~A表示后面数据填充的位置，和printf的%x这些转义符类似。
~%表示换行。
NIL是format的返回值，不过一般并不会在最外层使用，所以不会见到这个返回值。

输入

输入数据，或者说读取数据的标准函数是read。下面是一个例子：

* (defun askme (string) (format t "~A~%" string) (read))
ASKME
* (askme "How old are you? ")
How old are you? 
21 （这个21是用户输入的）
21

需要注意，《ANSI Common Lisp》中的这个例子如果没有换行（~%）的话，那么不会先打印出这个字符串，要输入完才会有。它后面也解释了为什么。

请添加图片描述

与 C 不同的地方在于，读取输入的时候，read是一个解析器，他会自动将字符组成字符串；数字变成数字，而不是字符。

如果一个表达式影响了其他的事情，就称其副作用（side-effect）。比如format不光有返回值，还会打印内容，就是副作用。也正是因为副作用，一个函数体中才能有多条表达式，不然表达式直接就返回值了，没有任何办法影响其他的内容，而单条表达式杯称为“纯”Lisp。这部分需要细细理解，所以放书的截图在下面：

请添加图片描述

变量和常量

在最开始介绍了什么叫“符号”，可以看到其可以当作字符或字符串来使用，也介绍了如何输入输出内容。但是写程序不可能所有值都是直来直往的，输入的内容也不能直接用，往往需要变量来暂存。

局部变量

引入新的局部变量非常简单，使用let操作符：

* (let ((x 1) (y 2)) (+ x y))
3

let的参数中，第一部分是变量列表，也就是一系列变量和对应的值，第二部分是表达式部分。

由于这是局部变量，所以要在局部表达式中使用，比如函数体中。所以如果此时你在外部使用x会发现没有显示1。

引入和使用局部变量如下：

* (defun ask-number () 
	(format t "Please enter a number. ~%") 
	(let ((val (read))) 
	(if (numberp val) 
		val 
		(ask-number))))
* (ask-number)
Please enter a number. 
a 
Please enter a number. 
你好
Please enter a number. 
12
12

最后那个if部分的含义是，如果是数字，输出val内容，否则继续运行(ask-number)。

讲真，这个函数让我体验到为什么很多人会推荐函数式编程语言，也理解为什么上世纪 Lisp 会被用作编写人工智能的语言。因为它并不需要处理、关注各种关键字、类型转换等等内容。
当然，现在各种编程语言或多或少都含有一些函数式编程语言的内容，函数式编程语言也都有 C 之类扩展，二者有时可以混用。而且这些语言的实现也大多是用 C 编写底层框架的，有些老语言虽然有相当一部分代码是自己的，但一些系统底层相关的代码还是 C。比如本文使用的 SBCL 只有 runtime 相关的代码是 C 的，其余全是 Lisp 的。

全局变量

使用defparameter定义全局变量，如下：

* (defparameter abc 1)
ABC
* abc
1

非常简单，就是这个函数名有点长。

变量赋值

如果要修改或者赋值一个全局变量，那么使用setf即可。如下：

* (defparameter abc 1)
ABC
* abc
1
* (setf abc 100)
100
* abc
100

可以看到全局变量abc从初始值1变成了100。

如果setf的第一个参数是没用过（不能是局部变量），那么可以直接使用setf创建一个全局变量，这样比defparameter短多了。但是sbcl会有一段提醒，如下（中间分号;开头的行是一些提示）：

* (setf x (list 'a 'b 'c))
; in: SETF X
;     (SETF X (LIST 'A 'B 'C))
; 
; caught WARNING:
;   undefined variable: COMMON-LISP-USER::X
; 
; compilation unit finished
;   Undefined variable:
;     X
;   caught 1 WARNING condition
(A B C)
* x
(A B C)

在修改一个列表变量的值的时候，可以使用表达式进行修改，比如只修改上面x的第一个元素的方法如下：

* (setf (car x) 'n)
N
* x
(N B C)

可以看到第一个元素变成了N。

在修改或赋值多个变量的时候，又一个很简单的方法（可以写在一行）：

* (setf a 1
		b 2
		c 3)
3
* a
1
* b
2
* c
3

全局常量

使用defconstant定义全局变量，如下：

* (defconstant limit 12)
LIMIT
* limit
12

检查有没有用过这个名称的

虽然如果常量或变量使用了已经出现的名称会报错，但是也可以使用boundp检查：

* (boundp 'limit)
T

为了避免将其当成函数，需要在开头使用单引号。

循环（迭代）`do`

Common Lisp 中的循环类似 C 中for的结构（虽然名字是do，但其实有点不太像）。比如要输出一些数和它们的平方，代码如下：

* (defun show-squares (start end)
	(do ((i start (+ i 1))) ((> i end) 'done)
		(format t "~A ~A~%" i (* i i))))
SHOW-SQUARES
* (show-squares 2 5)
2 4
3 9
4 16
5 25
DONE

do操作符有两个参数：