为什么Lisp语言如此先进

　　本文节选自《黑客与画家》作者：Paul Graham 译者：阮一峰

　　一、

　　如果我们把流行的编程语言，以这样的顺序排列：Java、Perl、Python、Ruby。你会发现，排在越后面的语言，越像Lisp。

　　Python模仿Lisp，甚至把许多Lisp黑客认为属于设计错误的功能，也一起模仿了。至于Ruby，如果回到1975年，你声称它是一种Lisp方言，没有人会反对。

　　编程语言现在的发展，不过刚刚赶上1958年Lisp语言的水平。

　　二、

　　1958年，John McCarthy设计了Lisp语言。我认为，当前最新潮的编程语言，只是实现了他在1958年的设想而已。

　　这怎么可能呢？计算机技术的发展，不是日新月异吗？1958年的技术，怎么可能超过今天的水平呢？

　　让我告诉你原因。

　　这是因为John McCarthy本来没打算把Lisp设计成编程语言，至少不是我们现在意义上的编程语言。他的原意只是想做一种理论演算，用更简洁的方式定义图灵机。

　　所以，为什么上个世纪50年代的编程语言，到现在还没有过时？简单说，因为这种语言本质上不是一种技术，而是数学。数学是不会过时的。你不应该把Lisp语言与50年代的硬件联系在一起，而是应该把它与快速排序（Quicksort）算法进行类比。这种算法是1960年提出的，至今仍然是最快的通用排序方法。

　　三、

　　Fortran语言也是上个世纪50年代出现的，并且一直使用至今。它代表了语言设计的一种完全不同的方向。Lisp是无意中从纯理论发展为编程语言，而Fortran从一开始就是作为编程语言设计出来的。但是，今天我们把Lisp看成高级语言，而把Fortran看成一种相当低层次的语言。

　　1956年，Fortran刚诞生的时候，叫做Fortran I，与今天的Fortran语言差别极大。Fortran I实际上是汇编语言加上数学，在某些方面，还不如今天的汇编语言强大。比如，它不支持子程序，只有分支跳转结构（branch）。

　　Lisp和Fortran代表了编程语言发展的两大方向。前者的基础是数学，后者的基础是硬件架构。从那时起，这两大方向一直在互相靠拢。Lisp刚设计出来的时候，就很强大，接下来的二十年，它提高了自己的运行速度。而那些所谓的主流语言，把更快的运行速度作为设计的出发点，然后再用超过四十年的时间，一步步变得更强大。

　　直到今天，最高级的主流语言，也只是刚刚接近Lisp的水平。虽然已经很接近了，但还是没有Lisp那样强大。

　　四、

　　Lisp语言诞生的时候，就包含了9种新思想。其中一些我们今天已经习以为常，另一些则刚刚在其他高级语言中出现，至今还有2种是Lisp独有的。按照被大众接受的程度，这9种思想依次是：

　　1. 条件结构（即"if-then-else"结构）。现在大家都觉得这是理所当然的，但是Fortran I就没有这个结构，它只有基于底层机器指令的goto结构。

　　2. 函数也是一种数据类型。在Lisp语言中，函数与整数或字符串一样，也属于数据类型的一种。它有自己的字面表示形式（literal representation），能够储存在变量中，也能当作参数传递。一种数据类型应该有的功能，它都有。

　　3. 递归。Lisp是第一种支持递归函数的高级语言。

　　4. 变量的动态类型。在Lisp语言中，所有变量实际上都是指针，所指向的值有类型之分，而变量本身没有。复制变量就相当于复制指针，而不是复制它们指向的数据。

　　5. 垃圾回收机制。

　　6. 程序由表达式（expression）组成。Lisp程序是一些表达式区块的集合，每个表达式都返回一个值。这与Fortran和大多数后来的语言都截然不同，它们的程序由表达式和语句（statement）组成。

　　区分表达式和语句，在Fortran I中是很自然的，因为它不支持语句嵌套。所以，如果你需要用数学式子计算一个值，那就只有用表达式返回这个值，没有其他语法结构可用，因为否则就无法处理这个值。

　　后来，新的编程语言支持区块结构（block），这种限制当然也就不存在了。但是为时已晚，表达式和语句的区分已经根深蒂固。它从Fortran扩散到Algol语言，接着又扩散到它们两者的后继语言。

　　7. 符号（symbol）类型。符号实际上是一种指针，指向储存在哈希表中的字符串。所以，比较两个符号是否相等，只要看它们的指针是否一样就行了，不用逐个字符地比较。

　　8. 代码使用符号和常量组成的树形表示法（notation）。

　　9. 无论什么时候，整个语言都是可用的。Lisp并不真正区分读取期、编译期和运行期。你可以在读取期编译或运行代码；也可以在编译期读取或运行代码；还可以在运行期读取或者编译代码。

　　在读取期运行代码，使得用户可以重新调整（reprogram）Lisp的语法；在编译期运行代码，则是Lisp宏的工作基础；在运行期编译代码，使得Lisp可以在Emacs这样的程序中，充当扩展语言（extension language）；在运行期读取代码，使得程序之间可以用S-表达式（S-expression）通信，近来XML格式的出现使得这个概念被重新"发明"出来了。

　　五、

　　Lisp语言刚出现的时候，它的思想与其他编程语言大相径庭。后者的设计思想主要由50年代后期的硬件决定。随着时间流逝，流行的编程语言不断更新换代，语言设计思想逐渐向Lisp靠拢。

　　思想1到思想5已经被广泛接受，思想6开始在主流编程语言中出现，思想7在Python语言中有所实现，不过似乎没有专用的语法。

　　思想8可能是最有意思的一点。它与思想9只是由于偶然原因，才成为Lisp语言的一部分，因为它们不属于John McCarthy的原始构想，是由他的学生Steve Russell自行添加的。它们从此使得Lisp看上去很古怪，但也成为了这种语言最独一无二的特点。Lisp古怪的形式，倒不是因为它的语法很古怪，而是因为它根本没有语法，程序直接以解析树（parse tree）的形式表达出来。在其他语言中，这种形式只是经过解析在后台产生，但是Lisp直接采用它作为表达形式。它由列表构成，而列表则是Lisp的基本数据结构。

　　用一门语言自己的数据结构来表达该语言，这被证明是非常强大的功能。思想8和思想9，意味着你可以写出一种能够自己编程的程序。这可能听起来很怪异，但是对于Lisp语言却是再普通不过。最常用的做法就是使用宏。

　　术语"宏"在Lisp语言中，与其他语言中的意思不一样。Lisp宏无所不包，它既可能是某样表达式的缩略形式，也可能是一种新语言的编译器。如果你想真正地理解Lisp语言，或者想拓宽你的编程视野，那么你必须学习宏。

　　就我所知，宏（采用Lisp语言的定义）目前仍然是Lisp独有的。一个原因是为了使用宏，你大概不得不让你的语言看上去像Lisp一样古怪。另一个可能的原因是，如果你想为自己的语言添上这种终极武器，你从此就不能声称自己发明了新语言，只能说发明了一种Lisp的新方言。

　　我把这件事当作笑话说出来，但是事实就是如此。如果你创造了一种新语言，其中有car、cdr、cons、quote、cond、atom、eq这样的功能，还有一种把函数写成列表的表示方法，那么在它们的基础上，你完全可以推导出Lisp语言的所有其他部分。事实上，Lisp语言就是这样定义的，John McCarthy把语言设计成这个样子，就是为了让这种推导成为可能。

　　六、

　　就算Lisp确实代表了目前主流编程语言不断靠近的一个方向，这是否意味着你就应该用它编程呢？

　　如果使用一种不那么强大的语言，你又会有多少损失呢？有时不采用最尖端的技术，不也是一种明智的选择吗？这么多人使用主流编程语言，这本身不也说明那些语言有可取之处吗？

　　另一方面，选择哪一种编程语言，许多项目是无所谓的，反正不同的语言都能完成工作。一般来说，条件越苛刻的项目，强大的编程语言就越能发挥作用。但是，无数的项目根本没有苛刻条件的限制。大多数的编程任务，可能只要写一些很小的程序，然后用胶水语言把这些小程序连起来就行了。你可以用自己熟悉的编程语言，或者用对于特定项目来说有着最强大函数库的语言，来写这些小程序。如果你只是需要在Windows应用程序之间传递数据，使用Visual Basic照样能达到目的。

　　那么，Lisp的编程优势体现在哪里呢？

　　七、

　　语言的编程能力越强大，写出来的程序就越短（当然不是指字符数量，而是指独立的语法单位）。

　　代码的数量很重要，因为开发一个程序耗费的时间，主要取决于程序的长度。如果同一个软件，一种语言写出来的代码比另一种语言长三倍，这意味着你开发它耗费的时间也会多三倍。而且即使你多雇佣人手，也无助于减少开发时间，因为当团队规模超过某个门槛时，再增加人手只会带来净损失。Fred Brooks在他的名著《人月神话》（The Mythical Man-Month）中，描述了这种现象，我的所见所闻印证了他的说法。

　　如果使用Lisp语言，能让程序变得多短？以Lisp和C的比较为例，我听到的大多数说法是C代码的长度是Lisp的7倍到10倍。但是最近，New Architect杂志上有一篇介绍ITA软件公司的文章，里面说"一行Lisp代码相当于20行C代码"，因为此文都是引用ITA总裁的话，所以我想这个数字来自ITA的编程实践。 如果真是这样，那么我们可以相信这句话。ITA的软件，不仅使用Lisp语言，还同时大量使用C和C++，所以这是他们的经验谈。

　　根据上面的这个数字，如果你与ITA竞争，而且你使用C语言开发软件，那么ITA的开发速度将比你快20倍。如果你需要一年时间实现某个功能，它只需要不到三星期。反过来说，如果某个新功能，它开发了三个月，那么你需要五年才能做出来。

　　你知道吗？上面的对比，还只是考虑到最好的情况。当我们只比较代码数量的时候，言下之意就是假设使用功能较弱的语言，也能开发出同样的软件。但是事实上，程序员使用某种语言能做到的事情，是有极限的。如果你想用一种低层次的语言，解决一个很难的问题，那么你将会面临各种情况极其复杂、乃至想不清楚的窘境。

　　所以，当我说假定你与ITA竞争，你用五年时间做出的东西，ITA在Lisp语言的帮助下只用三个月就完成了，我指的五年还是一切顺利、没有犯错误、也没有遇到太大麻烦的五年。事实上，按照大多数公司的实际情况，计划中五年完成的项目，很可能永远都不会完成。

　　我承认，上面的例子太极端。ITA似乎有一批非常聪明的黑客，而C语言又是一种很低层次的语言。但是，在一个高度竞争的市场中，即使开发速度只相差两三倍，也足以使得你永远处在落后的位置。

　　附录：编程能力

　　为了解释我所说的语言编程能力不一样，请考虑下面的问题。我们需要写一个函数，它能够生成累加器，即这个函数接受一个参数n，然后返回另一个函数，后者接受参数i，然后返回n增加（increment）了i后的值。

　　Common Lisp的写法如下：

　　(defun foo (n)
　　　　(lambda (i) (incf n i)))

　　Ruby的写法几乎完全相同：

　　def foo (n)
　　　　lambda {|i| n += i } end

　　Perl 5的写法则是：

　　sub foo {
　　　　my ($n) = @_;
　　　　sub {$n += shift}
　　}

　　这比Lisp和Ruby的版本，有更多的语法元素，因为在Perl语言中，你不得不手工提取参数。

　　Smalltalk的写法稍微比Lisp和Ruby的长一点：

　　foo: n
　　　　|s|
　　　　s := n.
　　　　^[:i| s := s+i. ]

　　因为在Smalltalk中，局部变量（lexical variable）是有效的，但是你无法给一个参数赋值，因此不得不设置了一个新变量，接受累加后的值。

　　Javascript的写法也比Lisp和Ruby稍微长一点，因为Javascript依然区分语句和表达式，所以你需要明确指定return语句，来返回一个值：

　　function foo (n) {
　　　　return function (i) {
　　　　　　return n += i } }

　　（实事求是地说，Perl也保留了语句和表达式的区别，但是使用了典型的Perl方式处理，使你可以省略return。）

　　如果想把Lisp/Ruby/Perl/Smalltalk/Javascript的版本改成Python，你会遇到一些限制。因为Python并不完全支持局部变量，你不得不创造一种数据结构，来接受n的值。而且尽管Python确实支持函数数据类型，但是没有一种字面量的表示方式（literal representation）可以生成函数（除非函数体只有一个表达式），所以你需要创造一个命名函数，把它返回。最后的写法如下：

　　def foo (n):
　　　　s = [n]
　　　　def bar (i):
　　　　　　s[0] += i
　　　　　　return s[0]
　　　　return bar

　　Python用户完全可以合理地质疑，为什么不能写成下面这样：

　　def foo (n):
　　　　return lambda i: return n += i

　　或者：

　　def foo (n):
　　　　lambda i: n += i

　　我猜想，Python有一天会支持这样的写法。（如果你不想等到Python慢慢进化到更像Lisp，你总是可以直接......）

　　在面向对象编程的语言中，你能够在有限程度上模拟一个闭包（即一个函数，通过它可以引用由包含这个函数的代码所定义的变量）。你定义一个类（class），里面有一个方法和一个属性，用于替换封闭作用域（enclosing scope）中的所有变量。这有点类似于让程序员自己做代码分析，本来这应该是由支持局部作用域的编译器完成的。如果有多个函数，同时指向相同的变量，那么这种方法就会失效，但是在这个简单的例子中，它已经足够了。

　　Python高手看来也同意，这是解决这个问题的比较好的方法，写法如下：

　　def foo (n):
　　　　class acc:
　　　　　　def _ _init_ _ (self, s):
　　　　　　　　self.s = s
　　　　　　def inc (self, i):
　　　　　　　　self.s += i
　　　　　　　　return self.s
　　　　return acc (n).inc

　　或者

　　class foo:
　　　　def _ _init_ _ (self, n):
　　　　　　self.n = n
　　　　def _ _call_ _ (self, i):
　　　　　　self.n += i
　　　　　　return self.n

　　我添加这一段，原因是想避免Python爱好者说我误解这种语言。但是，在我看来，这两种写法好像都比第一个版本更复杂。你实际上就是在做同样的事，只不过划出了一个独立的区域，保存累加器函数，区别只是保存在对象的一个属性中，而不是保存在列表（list）的头（head）中。使用这些特殊的内部属性名（尤其是__call__），看上去并不像常规的解法，更像是一种破解。

　　在Perl和Python的较量中，Python黑客的观点似乎是认为Python比Perl更优雅，但是这个例子表明，最终来说，编程能力决定了优雅。Perl的写法更简单（包含更少的语法元素），尽管它的语法有一点丑陋。

　　其他语言怎么样？前文曾经提到过Fortran、C、C++、Java和Visual Basic，看上去使用它们，根本无法解决这个问题。Ken Anderson说，Java只能写出一个近似的解法：

　　public interface Inttoint {
　　　　public int call (int i);
　　}

　　public static Inttoint foo (final int n) {
　　　　return new Inttoint () {
　　　　int s = n;
　　　　public int call (int i) {
　　　　s = s + i;
　　　　return s;
　　　　}};
　　}

　　这种写法不符合题目要求，因为它只对整数有效。

　　当然，我说使用其他语言无法解决这个问题，这句话并不完全正确。所有这些语言都是图灵等价的，这意味着严格地说，你能使用它们之中的任何一种语言，写出任何一个程序。那么，怎样才能做到这一点呢？就这个小小的例子而言，你可以使用这些不那么强大的语言，写一个Lisp解释器就行了。

　　这样做听上去好像开玩笑，但是在大型编程项目中，却不同程度地广泛存在。因此，有人把它总结出来，起名为"格林斯潘第十定律"（Greenspun's Tenth Rule）：

"任何C或Fortran程序复杂到一定程度之后，都会包含一个临时开发的、只有一半功能的、不完全符合规格的、到处都是bug的、运行速度很慢的Common Lisp实现。"

　　如果你想解决一个困难的问题，关键不是你使用的语言是否强大，而是好几个因素同时发挥作用（a）使用一种强大的语言，（b）为这个难题写一个事实上的解释器，或者（c）你自己变成这个难题的人肉编译器。在Python的例子中，这样的处理方法已经开始出现了，我们实际上就是自己写代码，模拟出编译器实现局部变量的功能。

　　这种实践不仅很普遍，而且已经制度化了。举例来说，在面向对象编程的世界中，我们大量听到"模式"（pattern）这个词，我觉得那些"模式"就是现实中的因素（c），也就是人肉编译器。 当我在自己的程序中，发现用到了模式，我觉得这就表明某个地方出错了。程序的形式，应该仅仅反映它所要解决的问题。代码中其他任何外加的形式，都是一个信号，（至少对我来说）表明我对问题的抽象还不够深，也经常提醒我，自己正在手工完成的事情，本应该写代码，通过宏的扩展自动实现。