Lisp 之美

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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。
关于本系列在  文章中，作者 Bruce Tate 提出这样一个观点：如今的 Java 程序员可通过学习其他方法和语言得到很好的其他思路。自从 Java 技术明显成为所有开发项目的最佳选择以来，编程前景已经变化。其他的框架影响着构建 Java 框架的方式，从其他语言学到的概念可以影响您的 Java 编程。您编写的 Python（或 Ruby、Smalltalk……）代码可以改变您处理 Java 编码的方式。
本系列为您介绍与 Java 开发根本不同，但也可以直接应用于 Java 开发的编程概念和技术。在一些示例中，需要对技术进行集成来利用它。在另外一些示例中，您将能够直接应用这些概念。单独的工具不及其他语言和框架能够影响 Java 社区中的开发人员、框架甚至基本方法的思想那么重要。

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  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

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>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

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>"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

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>(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

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> (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

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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

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>(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。