LISP

Lisp，最初被拼为LISP，一个历史悠久的电脑编程语言家族。最早由约翰·麦卡锡在1958年基于λ演算创造，演化至今，是历史第二悠久的高级语言，仅次于Fortran，也是第一个函数式编程语言。

其名称源自列表处理器（英语：List Processor）的缩写。LISP有很多种方言，各个实现中的语言不完全一样。LISP语言的主要现代版本包括Common Lisp, Scheme，Racket以及Clojure。1980年代盖伊·史提尔二世编写了Common Lisp试图进行标准化，这个标准被大多数解释器和编译器所接受。还有一种是编辑器Emacs所派生出来的Emacs Lisp（而Emacs正是用Lisp作为扩展语言进行功能扩展）非常流行，并创建了自己的标准。

历史

1955年至1956年间，信息处理语言被创造出来，用于人工智能处理（早期的基于符号处理的人工智能领域，以图灵测试为目标）。此领域中有研究者持有观点：“符号演算系统可以派生出智能。”^[1]）。它首先使用了列表 (抽象数据类型)与递归。

1958年，约翰·麦卡锡在麻省理工学院发明了Lisp这个编程语言，采用了信息处理语言的特征。1960年，他在《ACM通讯》发表论文，名为《递归函数的符号表达式以及由机器运算的方式，第一部》（Recursive Functions of Symbolic Expressions and Their Computation by Machine, Part I）。在这篇论文中，他展示了，只要通过一些简单的运算符，以及用于函数的记号，就可以创建一个具图灵完备性语言，可用于算法中。

麦卡锡最初使用M表示式（M-expression）写成代码，之后再转译成S表示式，举例来说，M表示式的函数语法，car[cons[A,B]]，等同于S表示式的(car (cons A B))。然而由于S表示式具备同像性的特性（homoiconic，即程序与数据由同样的结构存储），实际应用中一般只使用S表示式。此外，他也由借用了信息处理语言中的许多概念。

约翰·麦卡锡的学生史帝芬·罗素在阅读完此论文后，认为Lisp编程语言当中的eval函数可以用机器码来实做。他在IBM 704机器上，写出了第一个LISP解释器。1962年，蒂姆·哈特（Tim Hart）与麦克·莱文（Mike Levin）在麻省理工学院，以Lisp语言，实做出第一个完整的lisp编译器。

基本介绍

LISP是第一个函数式程序语言，区别于C语言、Fortran等命令型程序语言和Java、C#、Objective-C等面向对象程序语言。

由于历史的原因，Lisp长期以来被认为主要用于人工智能领域，但Lisp并不是只为人工智能而设计，而是一种通用的程序语言。

Lisp的表达式是一个原子（atom）或表（list），原子（atom）又包含符号（symbol）与数值（number）；表是由零个或多个表达式组成的序列，表达式之间用空格分隔开，放入一对括号中，如：

abc
()
(abc xyz)
(a b (c) d)

最后一个表是由四个元素构成的，其中第三个元素本身也是一个表，这种list又称为嵌套表（nested list）。

正如算数表达式1+1有值2一样，Lisp中的表达式也有值，如果表达式e得出值v，我们说e返回v。如果一个表达式是一个表，那么我们把表中的第一个元素叫做操作符，其余的元素叫做自变量。

Lisp的7个公理（基本操作符）

基本操作符1 quote

(quote x)返回x，我们简记为'x

(quote a)

上面的表达式的值是a。如果使用C语言或者Java语言的表达方式，可以说成：上面这段代码返回的值是a。

'a

这个表达式和上面的那个相同，值也是a。将quote写成 ' 只是一种语法糖。

被quote起来的单一个元素会成为symbol（例如'a）。symbol是Lisp中的一个特别概念，他在代码中看起来是个string，但并不尽然，因为symbol其实会被Lisp解释器直接指向某个存储器位置，所以当你比较'apple和'apple两个symbol是否相同时，不需要像是比较string一样一个个字元逐字比较，而是直接比较存储器位置，故速度比较快（使用eq运算符来比较，如果使用equal运算符会变成逐字比较）。当你定义一个函数，或者定义一个变量时，他们的内容其实就是指向一个symbol。

基本操作符2 atom

(atom x)当x是一个atom或者空的list时返回原子t，否则返回NIL。在Common Lisp中我们习惯用原子t表示真，而用空表 () 或NIL表示假。

> (atom 'a)
t
> (atom '(a b c))
NIL
> (atom '())
t

现在我们有了第一个需要求出自变量值的操作符，让我们来看看quote操作符的作用——通过引用（quote）一个表，我们避免它被求值（eval）。一个未被引用的表达式作为自变量，atom将其视为代码，例如：

> (atom (atom 'a))
t

这是因为(atom 'a)的结果（t）被求出，并代入(atom (atom 'a))，成为(atom t)，而这个表达式的结果是t。

反之一个被引用的表仅仅被视为表

> (atom '(atom 'a))
NIL

引用看上去有些奇怪，因为你很难在其它语言中找到类似的概念，但正是这一特征构成了Lisp最为与众不同的特点：代码和数据使用相同的结构来表示，只用quote来区分它们。

基本操作符3 eq

(eq x y)当x和y指向相同的对象的时候返回t，否则返回NIL，值得注意的是在Common Lisp中，原子对象在内存中只会有一份拷贝，所以(eq 'a 'a)返回t，例如：

>(eq 'a 'a)
t
>(eq 'a 'b)
NIL
> (eq '() '())
t
> (eq '(a b c) '(a b c))
NIL

基本操作符4 car

Contents of the Address part of Register number缩写

(car x)要求x是一个表，它返回x中的第一个元素，例如：

> (car '(a b))
a

基本操作符5 cdr

(cdr x)同样要求x是一个表，它返回x中除第一个元素之外的所有元素组成的表，例如：

> (cdr '(a b c))
(b c)

基本操作符6 cons

(cons x y)返回一个cons cell(x y)，如果y不是一个list，将会以dotted pair形式展现这个cons cell，例如：

>(cons 'a 'b)
(a . b)

一个cons cell的第二项如果是另一个cons cell，就表示成表的形式，例如：

 (cons 'a (cons 'b 'c))

就表示成 （a b . c） 若一个cons cell第二项为空，就省略不写，例如：

 (cons 'a  (cons 'b ()))

表示为 （a b） 这样，多重的cons cell就构成了表：

> (cons 'a (cons 'b (cons 'c ())))
(a b c)

基本操作符7 cond

(cond (p₁ e₁) ...(p_n e_n))的求值规则如下.对“条件表达式p”依次求值直到有一个返回t.如果能找到这样的p表达式，相应的“结果表达式e”的值作为整个cond表达式的返回值.

> (cond ((eq 'a 'b) 'first)  ((atom 'a)  'second))
 second

函数

七个原始操作符中，除了quote与cond,其他五个原始操作符总会对其自变量求值.我们称这样的操作符为函数.

语法和语义

Scheme的Hello World程序

(display "Hello, world!")
;; 在屏幕中打印出： Hello, world!
 
;; 函数定义
(define (hello)
  (display "Hello, world!"))
 
;; 函数调用
(hello)
;; 在屏幕中打印出： Hello, world!

Common Lisp的Hello World程序

(format t "hello, world!")
;; 在屏幕中打印出： hello, world!
 
函数定义：
(defun hello-world ()
  (format t "hello, world!"))
调用函数：
(hello-world)
;; 在屏幕中打印出： hello, world!
;; 并以NIL作为函数的返回值

Clojure的Hello World程序

(print "hello, world!")
;; 在屏幕中打印出： hello, world!
 
;; 函数定义：
(defn hello-world []
  (print "hello, world!"))
;; 调用函数：
(hello-world)
;; 在屏幕中打印出： hello, world!
;; 并以 nil 作为函数的返回值

Lisp的宏

Lisp的语法结构使数据与程序只是一线之隔（有quote就是数据，没quote就是程序）。由于Lisp这种“数据即程序、程序即数据”的概念，使Lisp的宏（Macro）变得非常有弹性：你可以定义宏，指定它应该被编译器翻译（宏展开）成什么程序，程序和数据都可以灵活地互相转换，最后展开的代码会成为整个程序的一部分。宏的实现非常倚重quote来达成。当你定义了一个宏，宏被quote的部分会先被编译器unquote，而没有quote、或已经被unquote的部分，则会先被求值。最终编译器生成的整个程序代码才是最后运行时的代码。以下以广泛使用的Emacs Lisp为示例（以下示例亦兼容Common Lisp），解释最基本的Lisp宏。

想要创建一个list并赋予给fruit这个变量时不能这样做，因为这个list没有被quote过，会被编译器视为“程序”运行（会把"apple"这个字符串当成函数解释），而不是“数据”，因而产生错误：

> (setq fruit ("apple" "banana" "citrus"))
錯誤："apple" 不是一個有效函數。

但这样就正确了：

> (setq fruit (quote ("apple" "banana" "citrus")))
("apple" "banana" "citrus")
;; 或者
> (setq fruit '("apple" "banana" "citrus"))
("apple" "banana" "citrus")
;; 也可以用(list...)運算子，這樣一樣可以建立list。因為list本身是個函數，本來就應該被當成程式執行而不是資料，所以不會報錯：
> (setq fruit (list "apple" "banana" "citrus"))
("apple" "banana" "citrus")

前面有提到使用'符号这个语法糖能够代替quote，但还有另外一种符号是`，意义基本上与'相同，但被`包起来的部分可以再用来unquote；而'没有这种能力。

也就是说被`给quote起来的部分是数据，但使用逗号“,”来unquote，令被quote的数据变回程序。（注意quote只有一个arg，所以arg要用list包起来）

;; 使用`來quote整個list
> `("apple" "banana" "citrus")
("apple" "banana" "citrus")
 
;; 使用逗號,來unquote，這樣fruit這個變量會被重新求值。
> `("apple" "banana" "citrus" ,fruit)
("apple" "banana" "citrus" ("apple" "banana" "citrus"))
 
;; 可以利用unquote的特性，定義一個函数，讓該函数根據輸入的參數回傳一個我們想要的list数据結構：
(defun user-profile (name email mobile)
  `((name . ,name)
    (email . ,email)
    (mobile . ,mobile)))
 
(user-profile "Richard" "[email protected]" "Noooo!")
=> ((name . "Richard")
    (email . "[email protected]")
    (mobile . "Noooo!"))

简易宏示例

这里定义一个宏叫做nonsense，这个宏可以方便地定义更多以nonsense为开头的新函数：

(defmacro nonsense (function-name)
  `(defun ,(intern (concat "nonsense-" function-name)) (input) ;intern可以將string轉成symbol
     (print (concat ,function-name input))))
;; 解釋：
;; 這個宏在編譯時，`(defun  因為被quote所以不會被求值，
;; 但裡面的,(intern ...) 這一段從逗號開始，整個括號括起來的
;; s-expression部份會被求值。這時作為argument輸入的function-name
;; 就是在這時被插進macro中。其餘剩下的部份因為仍然在`(defun的quote
;; 影響之下，並不會被求值。
;; 現在宏展開完了，整個宏才被當成一般function執行。
 
(nonsense "apple") ;使用我們剛剛定義的 nonsense 這個macro來定義新的f函数
=> nonsense-apple  ;成功定義出了新的函数叫做 nonsense-apple
 
(nonsense "banana") ;再使用一次宏來定義新的函数叫做 nonsense-banana
=> nonsense-banana  ;成功定義了新的函数。
 
(nonsense-apple " is good")		;使用剛剛定義出的新函数
=> "apple is good"
(nonsense-banana " I love to eat")	;使用另一個剛剛定義函数
=> "banana I love to eat"

注释

1. ^ 徐宥，《LISP语言是怎么来的–LISP和AI的青梅竹马A》 《LISP语言是怎么来的–LISP和AI的青梅竹马B》

参见

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Lisp入门

• Common Lisp
• Scheme
• SICP
• Clojure

外部链接

• Lisp中文社区
• John McCarthy的主页
• Paul Graham's The Roots of Lisp
• Racket官网

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