王垠的「40 行代码」真如他说的那么厉害吗?

“我有什么资格说话呢?如果你要了解我的本事,真的很简单:我最精要的代码都放在 GitHub 上了。但是除非接受过专门的训练,你绝对不会理解它们的价值。你会很难想象,这样一片普通人看起来像是玩具的 40 行 cps.ss 代码,融入了我一个星期的日日夜夜的心血,数以几十计的推翻重写。这段代码,曾经耗费了一些顶尖专家十多年的研究。一个教授告诉我,光是想看懂他们的论文就需要不止一个月。而它却被我在一个星期之内闷头写出来了。我是在说大话吗?代码就摆在那里,自己去看看不就知道了。当我死后,如果有人想要知道什么是我上半生最重要的“杰作”,也就是这 40 行代码了。它蕴含的美,超越我给任何公司写的成千上万行的代码。”

有没有人来说说这个东西,我想知道他有没有说大话。

附代码:

 

【精彩解答1】

我不算很熟悉Scheme,只能勉力为之。我知道我的解读也许有错,我也邀请了我熟悉的朋友来回答。他比我懂得更全,应该有帮助。

=== 07/29/2013 更新 ===
当事人到场了。我毕竟是个业余搞函数式编程的。大家还是不要看我这里,看@王垠 的原版解释吧。
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我大概读过这段代码:https://github.com/yinwang0/gems/blob/master/cps.ss。简单地说,这段代码做了两件事,一件事是CPS,也就是自动尾递归,第二件事则是用Scheme语言写了一个Scheme的解释器。通过他给出的cps函数,我可以用Scheme这个语言的符号系统重新定义所有Scheme的关键字,并执行正确的程序语义。换言之,它可以让这个语言自己解释自己。本质上,他的代码是在模仿当初 John McCarthy 发明 Lisp 语言时给出的代码,但用了Scheme风格重写了一遍。

这段代码里有一些相当有技巧性的部分。主要是那个cps1函数。我承认我也没有完全看懂,但大概能理解它在保持语义的同时基本做到了语言元素的最小化。他的代吗的31行和37行就是最关键的部分,实现了条件分支和递归调用。基本的原理并不复杂,主要是利用了Scheme的列表解构拆解元素,最终落实到条件分支和函数调用。如果说得更Scheme风格一点,这个cps函数就是一个自己实现的eval函数。当然是简化了一些,没有实现一些更夸张的功能,比如call-with-current-continuation。

注:这个cps的实现中只包含了很少的几个语言特性:定义常量,定义函数,分支(if)和递归。这是满足一个有意义的最小化描述必需的。如果任意引入语言元素,比如while,循环,则可能就会出现语言元素爆炸的情况,陷入无限自证的逻辑怪圈里去。

对这段代码,我自己的建议是,大家可以不必太在乎王垠的宣言。能写出这段代码的人,无疑非常熟悉符号推理的一般规则,也具备相当深厚的数学功底,一般人确实是写不出来。这也符合我对王垠学识的印象。但我也得说,这段代码对多数工程师而言并没有实际价值。不懂也无妨。

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对不熟悉编译原理和符号推理的朋友们来说,这里可能需要一些额外的说明。请参见下方。

在编译原理的世界里,自举是一个很重要的话题。一个很经典的例子:GCC语言的编译器是C语言写的,但第一个GCC编译器是用另一个编译器编译的;那么顺着这个根源向下跟踪,我们迟早必须回答这个问题,即世界上第一个编译器是什么语言写的——答案是汇编。那么这样下去,我们最终发现,任何程序设计语言都不能完全用自己描述自己。

从工程角度上说,这个问题倒不影响什么。但是从数学角度上看,这个缺陷则让很多人头疼不已,因为它破坏了所谓数学的「美」的原则。这里的「美」,实际的含义是自解释。很多符号逻辑研究者都热衷于找到一种符号体系,能够使用有限的符号系统描述自身。只要找到了这一点,整个解释器的设计可以成为一个自己证明自己的,封闭的体系

喜欢浪漫的文科朋友们可能会记得希腊神话中的乌洛波洛斯,一条首尾相连象征无穷无尽的蛇。是的,所谓自举就是符号推演世界的乌洛波洛斯,一种纯粹的数学上的和谐和优雅。

可惜对我这个哥德尔定理的信徒而言,这种数学上的美是毫无价值的东西。因为在我的逻辑体系里,这个世界里没有可以自证自身的公理体系。

 

【精彩解答2】

作为学 PL 的来分析一下他的代码,顺便一说王兄的码品真烂啊,各种单字母,尤其是那个 k……我给几个变量改了名,方便阅读:

这一小段代码非常的了不起,它利用 cps 变换的过程完成了一次编译,这或许就是所谓 Compile with Continuation 吧。代码的主要部件是 cps1 函数,它使用了模式匹配来处理不同算式的 cps 变换,fv 用于生成临时变量,program-end 和 function-return 是两个「后端」,下面会说它们的作用。
这一小段代码应当用了 Danvy 和 Filinski 等在他们的论文(Representing control: a study of the CPS transformation)里的技术。cps1 的入口参数,第一个是将被「编译」的表达式,另一个则很特殊,它并不是续体(一般 cps 变换传入的第二个参数都是续体),而是一个「后端」,一个代码生成器。当这个后端被调用时,它会产生等效于「给续体传值」的表达式出来(值就是入口参数啦)。此处 program-end 后端传入任意表达式之后都返回——呃,表达式自身,它实际上和「将表达式传递给『恒等』续体」等价。类似地,function-return 后端则生成一段代表函数返回的「代码」。
在模式匹配的各个分支中,只看重要的:

  1. 第一项,变量引用直接丢后端绝不留情,(ctx x)
  2. lambda 的分支,将 (lambda (x) body) 处理成 (lambda (x return) …) 的形式,也就是说每个函数都要显示传入返回它所用的续体(所谓 Continuation passing),body 部分则经过变换称为 lambda 的身体,用「函数返回」后端「编译」body 表达式。
  3. 最后一个分支表示函数调用(倒数第二个似乎是二元算符?怎不加过滤啊……),两重嵌套和一般 cps 没有什么区别,而它的「后端」,如果去掉优化的部分,生成的代码是类似这种:

    还记得 lambda 变换之后第二个参数是 Continuation 吗?看,Continuation 就在这里。尾调用优化则是在之前,消除了一层 (lambda)。

看完之后感觉这段代码写的真是有水平,利用构造器可以方便地对 continuation 进行有效分类,并进行各种优化,在仔细分析过后不得不感到佩服。

下面这是一个等效但稍强的 JavaScript 版,它支持多参函数,并会做作用域分析。

ps. 其实啊 Flangan 等在他们的论文里已经把这个算法给写了一遍了,只不过没加尾递归优化罢了。

 

PS:快课教程的酱油王子表示,代码高大上,不评论!

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