常青树LISP语言
介绍
Lisp是历史最悠久的编程语言之一，接近五十年。Lisp以一种简洁的方式有效地实现了多种高级语言设计的目的。LISP全名叫LISt Processor，List是LISP的主要数据结构。LISP是由John McCarthy1958年左右在MIT创造的一种基于λ演算的函数式编程语言，最初的目的是用于人工智能(Artificial Intelligence)和符号运算(Symbolic Computation)。
John McCarthy, 一位编程语言设计和人工智能大师，Lisp之父，参与设计Algol，提出Time sharing的概念, 提倡使用逻辑学和数学的方法理解编程语言和系统。获得过众多奖项，包括1971的图灵奖
Lisp成功的三个要素
- 明确的应用领域
编程语言设计中最难的问题之一是，对一些优秀的结构和概念说不。明确的应用领域帮助语言设计者做出一致地决定和取舍。
- Lisp -- 符号计算，逻辑，推理，实验性编程
- C -- Unix操作系统
- Simula -- 模拟
- PL/1 -- 尝试解决所有的问题，所以没有成功，也没什么影响
- 抽象机器
用于执行程序的机器，可以是具体的某一特定的机器比如I386，或者是一抽象的机器。在编程语言设计的过程中，目标机器指定的过于具体，或者过于抽象，都会影响语言的成功。
- Fortran -- 线性存储，没有Stack，Recursion
- Algol -- Stack, Heap
- Smalltalk -- Objects, communicating by messages
- 理论基础
Lisp是Turing完全的，指Lisp程序可以解决所有可计算函数，也就是Partial recursive 函数。Lisp中的函数表达式和回归记号直接来自λ演算。
Lisp一门极其简单和非常灵活的语言，这也是Lisp长久不衰的原因。使用Lisp编写的著名软件有emacs，gtk等等。
Lisp入门
如果你只接触过C/C++、Pascal, Java这些命令式(Imperative)语言的话，Lisp可能会让你觉得十分不同寻常，首先吸引你眼球（或者说让你觉得混乱的）一定是Lisp程序中异常多的括号。为了简化Parsing，Lisp采用最简单的语法，它甚至没有保留字，它只有两种基本的数据，仅有一种基本的语法结构就是表达式，而这些表达式同时也就是程序结构，但是正如规则最简单的围棋却有着最为复杂的变化一样，Lisp可以完成其它语言难于实现的、最复杂的功能。Lisp的表达是使用单一的前缀结构，即操作符写在操作数的前面。下面是Lisp的前缀表达式的几个例子，以及等效的普通表达式，
| Lisp 前缀表达式 |
普通表达式 |
| (+ 1 2 3 4 5) |
(1 + 2+ 3 + 4 + 5) |
| (* (+ 2 3) (+ 4 5)) |
((2 + 3) * (4 + 5)) |
| (f x y) |
f(x, y) |
Lisp的最基本元素是Atom，Atom是不可分。Lisp中有3种Atom，即整型，浮点数和符号Atom(Symbolic Atom).
下面的Backus Normal Form(BNF)文法定义了整型Atom和符号Atom。
::= |
::= | |
::= |
nil 是一个特殊的Atom，类似于Java中的null。
Dotted Pairs是Lisp中最基础的数据结构，回归的Dotted Pair组成Lisp的符号表达式，传统上称为S表达式
:= | ( . )
Lisp中的基本函数有针对Atom和Pair的cons，car，cdr，eq，atom，以及cond，lambda，define， quote和eval编程函数。数值计算函数+,-,*,/等等，到此为此，所有介绍的结构构成了所谓的Pure Lisp。Pure Lisp是没有Side Effect的。没有Side Effect是指计算一个表达式时，只是产生了一个值，而非改变机器的状态。Impure Lisp还包括以下几个有Side Effect的函数，rplaca, rplacd, set, setq.
Lisp解释器运行Lisp程序的基本结构是read-eval-print循环。
(define find (lambda (x y)
(cond ((equal y nil) nil)
((equal x (car y)) x)
(true (find x (cdr y))) )))
定义了一个find函数，如果List y中有x，返回x，否则返回nil。应用find函数
(find 'apple '(pear peach apple fig banana))
返回符号Atom apple。
历史上，Lisp是一种dynamically scoped language，也称为call by name。表达式里的变量在不同的Context下，可能引用不同的值。1978年出现Lisp的一种方言Scheme采用的是statical scoped。现代的大不多Lisp实现都采用staticall scoped。Lisp的方言(Dialect)还包括1980年代Guy L. Steele编写了Common Lisp，Common Lisp试图对Lisp标准化，这个标准也被大多数解释器和编译器所接受。其他的方言还有Maclisp，Autolisp，Emacs Lisp。
Lisp的贡献
1. expression oriented，Pure Lisp没有Side Effect。在Lisp中以条件表达式代替条件Statements
Lisp的条件表达式
(cond (p1 e1) ... (pn en)) 的意义是
if p1 then e1
else if p2 then e2
...
else if pn then en
else no_value
(cond (p1 e1) …(pn en)没有返回值，如果
- p1,...,pn 都是nil
- p1,...,pi false 并且 pi+1 undefined
- p1,...,pi false, pi+1 true, ei+1 undefined
cond表达式的几个例子
(cond ((< 2 1) 2) ((< 1 2) 1) 返回1
(cond ((< 2 1) 2) ((< 3 2) 1) 没有值
(cond ((diverge 1) (true 0) 没有值
(cond (true 0) (diverge 1) 返回0
2. Lisp的Abstract Machine由四部分组成
- 一个Lisp表达式
- A continuation函数，表示为计算的剩余部分
- An Association List， 变量表
- A Heap, 保存着Atom，Pair和List，Association List中的变量指向Heap中的元素
Heap的基本单位是一个Cons Cell，也就是dotted pair，一个Cons Cell有car和cdr两部分组成。
Atom在Heap中的表示方法, car为特定的Bit模式，不能是一个指针模式
(cons x y)的执行过程
- 分配一个新的Cell c
- Cell c的car指向x
- Cell c的cdr指向y
- 返回c
表达式(cons (cons 'A 'B) (cons 'A 'B))生成如下的结构
这里有两个A，B的Cell，因为每个cons函数的新建一个Cell。另外我们也可以共用一个Cell，生成如下的结构
使用表达式，((lambda (x) (cons x x)) (cons 'A 'B)).
Cons Cell能够表达List, Tree等各种数据结构。
3. 程序也是数据(Progams as Data)
Lisp的程序和数据使用同样的句法，内部的实现也是一样的。所以Lisp的程序可以很容易的作为另一个程序的数据输入。比如在后来的函数式和动态语言中普遍使用的eval函数，最早可以追溯到Lisp。
(define substitute (lambda (exp1 var exp2)
(cond ((atom exp2) (cond ((eq exp2 var) exp1) (true exp2)))
(true (cons (substitute exp1 var (car exp2))
(substitute exp1 var (cdr exp2)))))))
(define substitute-and-eval (lambda (x y z) (eval (substitute x y z))))
substitute函数有3个参数x，y，z，将z里面所有的y用x替换。在Lisp中程序也是一个List。
4. 函数表达式
(lambda ( 〈parameters〉 ) 〈function_body〉)
lambda表达式定义一个函数。Lisp中的lambda表达式是从20世纪30年代Alonzo Church等人开发的λ演算过来的。
比如在λ演算，函数f(x) = x2+y写成λx.(x2 + y)， 在Lisp为(lambda (x) (+ (square x) y))。在传统数学经常不区分函数本身和函数值，比如x^2+y既有表达函数x^2+y的，也有表达函数x^2+y在(x,y)点的值的。λ演算对这两种情况做了明显的区别。
5. 回归(Recursion)
回归函数是指一个函数直接或者间接的调用自身。
(define f (lambda (x) (cond ((eq x 0) 0) (true (+ x (f (- x 1)))))))
定义了函数f(x) = 1 + 2 + ... x
在λ演算中定义的函数都是匿名的，既然没有名字，如何在调用自身呢？McCarthy'在他1960年的论文里说，λ演算的记法是不能够表达回归函数。这是错的，λ演算的记法是能够表达回归函数的。
6. Higher-Order 函数
Higher-Order 函数是指以函数作为参数或者返回值的函数。比如数学上的Composition操作fog,在Lisp中可以这样定义 (define compose (lambda (f g) (lambda (x) (f (g x)))))
应用compose函数
(compose (lambda (x) (+ x x)) (lambda (x) (* x x)))
定义了x*x + x*x
maplist函数一个函数和list为参数，应用参数函数到每个参数list中的元素。
(define maplist (lambda (f x)
(cond ((eq x nil) nil)
(true (cons (f (car x)) (maplist f (cdr x)))))))
应用maplist的一个例子
(maplist square ('1 2 3 4)) => (1 4 9 16)
7 垃圾回收(Garbage Collection)
在计算世界里，垃圾是指程序永不再访问的数据，换句话说，改变垃圾的值，对程序的结果没有任何影。Lisp的数据和变量都保存在Heap的Cons Cell中。垃圾回收就是指在Heap中找到所有的垃圾，然后释放。Java中以及其他语言中的自动垃圾回收机制可以回溯到Lisp。
执行(car (cons e1 e2))后，任何在e2中分配的cons cells都成了垃圾。
人们已经发展了多种垃圾回收的算法。最简单的一种是Mark-and-Sweep。
- Mark Continuation里直接引用的位置
- Mark任何由已Mark的位置可以达到的位置
- 直到不能再Mark新的位置，所有没有Mark的位置都是垃圾
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