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為什麽Lisp語言如此先進?

一、

如果我們把流行的編程語言,以這樣的順序排列:JAVAperl、Python、Ruby。你會發現,排在越後面的語言,越像Lisp。

Python模仿Lisp,甚至把許多Lisp黑客認為屬於設計錯誤的功能,也一起模仿了。至於Ruby,如果回到1975年,你聲稱它是一種Lisp方言,沒有人會反對。

編程語言現在的發展,不過剛剛趕上1958年Lisp語言的水平。

二、

1958年,John McCarthy設計了Lisp語言。我認為,當前最新潮的編程語言,只是實現了他在1958年的設想而已。

這怎麽可能呢?計算機技術的發展,不是日新月異嗎?1958年的技術,怎麽可能超過今天的水平呢?

讓我告訴你原因。

這是因為John McCarthy本來沒打算把Lisp設計成編程語言,至少不是我們現在意義上的編程語言。他的原意只是想做一種理論演算,用更簡潔的方式定義圖靈機。

所以,為什麽上個世紀50年代的編程語言,到現在還沒有過時?簡單說,因為這種語言本質上不是一種技術,而是數學。數學是不會過時的。你不應該把Lisp語言與50年代的硬件聯系在一起,而是應該把它與快速排序(Quicksort)算法進行類比。這種算法是1960年提出的,至今仍然是最快的通用排序方法。

三、

Fortran語言也是上個世紀50年代出現的,並且一直使用至今。它代表了語言設計的一種完全不同的方向。Lisp是無意中從純理論發展為編程語言,而Fortran從一開始就是作為編程語言設計出來的。但是,今天我們把Lisp看成高級語言,而把Fortran看成一種相當低層次的語言。

1956年,Fortran剛誕生的時候,叫做Fortran I,與今天的Fortran語言差別極大。Fortran I實際上是匯編語言加上數學,在某些方面,還不如今天的匯編語言強大。比如,它不支持子程序,只有分支跳轉結構(branch)。

Lisp和Fortran代表了編程語言發展的兩大方向。前者的基礎是數學,後者的基礎是硬件架構。從那時起,這兩大方向一直在互相靠攏。Lisp剛設計出來的時候,就很強大,接下來的二十年,它提高了自己的運行速度。而那些所謂的主流語言,把更快的運行速度作為設計的出發點,然後再用超過四十年的時間,一步步變得更強大。

直到今天,最高級的主流語言,也只是剛剛接近Lisp的水平。雖然已經很接近了,但還是沒有Lisp那樣強大。

四、

Lisp語言誕生的時候,就包含了9種新思想。其中一些我們今天已經習以為常,另一些則剛剛在其他高級語言中出現,至今還有2種是Lisp獨有的。按照被大眾接受的程度,這9種思想依次是:

  1. 條件結構(即"if-then-else"結構)。現在大家都覺得這是理所當然的,但是Fortran I就沒有這個結構,它只有基於底層機器指令的goto結構。

  2. 函數也是一種數據類型。在Lisp語言中,函數與整數或字符串一樣,也屬於數據類型的一種。它有自己的字面表示形式(literal representation),能夠儲存在變量中,也能當作參數傳遞。一種數據類型應該有的功能,它都有。

  3. 遞歸。Lisp是第一種支持遞歸函數的高級語言。

  4. 變量的動態類型。在Lisp語言中,所有變量實際上都是指針,所指向的值有類型之分,而變量本身沒有。復制變量就相當於復制指針,而不是復制它們指向的數據。

  5. 垃圾回收機制。

  6. 程序由表達式(expression)組成。Lisp程序是一些表達式區塊的集合,每個表達式都返回一個值。這與Fortran和大多數後來的語言都截然不同,它們的程序由表達式和語句(statement)組成。

區分表達式和語句,在Fortran I中是很自然的,因為它不支持語句嵌套。所以,如果你需要用數學式子計算一個值,那就只有用表達式返回這個值,沒有其他語法結構可用,因為否則就無法處理這個值。

後來,新的編程語言支持區塊結構(block),這種限制當然也就不存在了。但是為時已晚,表達式和語句的區分已經根深蒂固。它從Fortran擴散到Algol語言,接著又擴散到它們兩者的後繼語言。

  7. 符號(symbol)類型。符號實際上是一種指針,指向儲存在哈希表中的字符串。所以,比較兩個符號是否相等,只要看它們的指針是否一樣就行了,不用逐個字符地比較。

  8. 代碼使用符號和常量組成的樹形表示法(notation)。

  9. 無論什麽時候,整個語言都是可用的。Lisp並不真正區分讀取期、編譯期和運行期。你可以在讀取期編譯或運行代碼;也可以在編譯期讀取或運行代碼;還可以在運行期讀取或者編譯代碼。

在讀取期運行代碼,使得用戶可以重新調整(reprogram)Lisp的語法;在編譯期運行代碼,則是Lisp宏的工作基礎;在運行期編譯代碼,使得Lisp可以在emacs這樣的程序中,充當擴展語言(extension language);在運行期讀取代碼,使得程序之間可以用S-表達式(S-expression)通信,近來XML格式的出現使得這個概念被重新"發明"出來了。

五、

Lisp語言剛出現的時候,它的思想與其他編程語言大相徑庭。後者的設計思想主要由50年代後期的硬件決定。隨著時間流逝,流行的編程語言不斷更新換代,語言設計思想逐漸向Lisp靠攏。

思想1到思想5已經被廣泛接受,思想6開始在主流編程語言中出現,思想7在Python語言中有所實現,不過似乎沒有專用的語法。

思想8可能是最有意思的一點。它與思想9只是由於偶然原因,才成為Lisp語言的一部分,因為它們不屬於John McCarthy的原始構想,是由他的學生Steve Russell自行添加的。它們從此使得Lisp看上去很古怪,但也成為了這種語言最獨一無二的特點。Lisp古怪的形式,倒不是因為它的語法很古怪,而是因為它根本沒有語法,程序直接以解析樹(parse tree)的形式表達出來。在其他語言中,這種形式只是經過解析在後臺產生,但是Lisp直接采用它作為表達形式。它由列表構成,而列表則是Lisp的基本數據結構。

用一門語言自己的數據結構來表達該語言,這被證明是非常強大的功能。思想8和思想9,意味著你可以寫出一種能夠自己編程的程序。這可能聽起來很怪異,但是對於Lisp語言卻是再普通不過。最常用的做法就是使用宏。

術語"宏"在Lisp語言中,與其他語言中的意思不一樣。Lisp宏無所不包,它既可能是某樣表達式的縮略形式,也可能是一種新語言的編譯器。如果你想真正地理解Lisp語言,或者想拓寬你的編程視野,那麽你必須學習宏。

就我所知,宏(采用Lisp語言的定義)目前仍然是Lisp獨有的。一個原因是為了使用宏,你大概不得不讓你的語言看上去像Lisp一樣古怪。另一個可能的原因是,如果你想為自己的語言添上這種終極武器,你從此就不能聲稱自己發明了新語言,只能說發明了一種Lisp的新方言。

我把這件事當作笑話說出來,但是事實就是如此。如果你創造了一種新語言,其中有car、cdr、cons、quote、cond、atom、eq這樣的功能,還有一種把函數寫成列表的表示方法,那麽在它們的基礎上,你完全可以推導出Lisp語言的所有其他部分。事實上,Lisp語言就是這樣定義的,John McCarthy把語言設計成這個樣子,就是為了讓這種推導成為可能。

六、

就算Lisp確實代表了目前主流編程語言不斷靠近的一個方向,這是否意味著你就應該用它編程呢?

如果使用一種不那麽強大的語言,你又會有多少損失呢?有時不采用最尖端的技術,不也是一種明智的選擇嗎?這麽多人使用主流編程語言,這本身不也說明那些語言有可取之處嗎?

另一方面,選擇哪一種編程語言,許多項目是無所謂的,反正不同的語言都能完成工作。一般來說,條件越苛刻的項目,強大的編程語言就越能發揮作用。但是,無數的項目根本沒有苛刻條件的限制。大多數的編程任務,可能只要寫一些很小的程序,然後用膠水語言把這些小程序連起來就行了。你可以用自己熟悉的編程語言,或者用對於特定項目來說有著最強大函數庫的語言,來寫這些小程序。如果你只是需要在Windows應用程序之間傳遞數據,使用Visual Basic照樣能達到目的。

那麽,Lisp的編程優勢體現在哪裏呢?

七、

語言的編程能力越強大,寫出來的程序就越短(當然不是指字符數量,而是指獨立的語法單位)。

代碼的數量很重要,因為開發一個程序耗費的時間,主要取決於程序的長度。如果同一個軟件,一種語言寫出來的代碼比另一種語言長三倍,這意味著你開發它耗費的時間也會多三倍。而且即使你多雇傭人手,也無助於減少開發時間,因為當團隊規模超過某個門檻時,再增加人手只會帶來凈損失。Fred Brooks在他的名著《人月神話》(The Mythical man-Month)中,描述了這種現象,我的所見所聞印證了他的說法。

如果使用Lisp語言,能讓程序變得多短?以Lisp和C的比較為例,我聽到的大多數說法是C代碼的長度是Lisp的7倍到10倍。但是最近,New Architect雜誌上有一篇介紹ITA軟件公司的文章,裏面說"一行Lisp代碼相當於20行C代碼",因為此文都是引用ITA總裁的話,所以我想這個數字來自ITA的編程實踐。 如果真是這樣,那麽我們可以相信這句話。ITA的軟件,不僅使用Lisp語言,還同時大量使用C和C++,所以這是他們的經驗談。

根據上面的這個數字,如果你與ITA競爭,而且你使用C語言開發軟件,那麽ITA的開發速度將比你快20倍。如果你需要一年時間實現某個功能,它只需要不到三星期。反過來說,如果某個新功能,它開發了三個月,那麽你需要五年才能做出來。

你知道嗎?上面的對比,還只是考慮到最好的情況。當我們只比較代碼數量的時候,言下之意就是假設使用功能較弱的語言,也能開發出同樣的軟件。但是事實上,程序員使用某種語言能做到的事情,是有極限的。如果你想用一種低層次的語言,解決一個很難的問題,那麽你將會面臨各種情況極其復雜、乃至想不清楚的窘境。

所以,當我說假定你與ITA競爭,你用五年時間做出的東西,ITA在Lisp語言的幫助下只用三個月就完成了,我指的五年還是一切順利、沒有犯錯誤、也沒有遇到太大麻煩的五年。事實上,按照大多數公司的實際情況,計劃中五年完成的項目,很可能永遠都不會完成。

我承認,上面的例子太極端。ITA似乎有一批非常聰明的黑客,而C語言又是一種很低層次的語言。但是,在一個高度競爭的市場中,即使開發速度只相差兩三倍,也足以使得你永遠處在落後的位置。

附錄:編程能力

為了解釋我所說的語言編程能力不一樣,請考慮下面的問題。我們需要寫一個函數,它能夠生成累加器,即這個函數接受一個參數n,然後返回另一個函數,後者接受參數i,然後返回n增加(increment)了i後的值。

Common Lisp的寫法如下:

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

Ruby的寫法幾乎完全相同:

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

Perl 5的寫法則是:

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

這比Lisp和Ruby的版本,有更多的語法元素,因為在Perl語言中,你不得不手工提取參數。

Smalltalk的寫法稍微比Lisp和Ruby的長一點:

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

因為在Smalltalk中,局部變量(lexical variable)是有效的,但是你無法給一個參數賦值,因此不得不設置了一個新變量,接受累加後的值。

Javascript的寫法也比Lisp和Ruby稍微長一點,因為Javascript依然區分語句和表達式,所以你需要明確指定return語句,來返回一個值:

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

(實事求是地說,Perl也保留了語句和表達式的區別,但是使用了典型的Perl方式處理,使你可以省略return。)

如果想把Lisp/Ruby/Perl/Smalltalk/Javascript的版本改成Python,你會遇到一些限制。因為Python並不完全支持局部變量,你不得不創造一種數據結構,來接受n的值。而且盡管Python確實支持函數數據類型,但是沒有一種字面量的表示方式(literal representation)可以生成函數(除非函數體只有一個表達式),所以你需要創造一個命名函數,把它返回。最後的寫法如下:

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

Python用戶完全可以合理地質疑,為什麽不能寫成下面這樣:

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

或者:

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

我猜想,Python有一天會支持這樣的寫法。(如果你不想等到Python慢慢進化到更像Lisp,你總是可以直接......)

在面向對象編程的語言中,你能夠在有限程度上模擬一個閉包(即一個函數,通過它可以引用由包含這個函數的代碼所定義的變量)。你定義一個類(class),裏面有一個方法和一個屬性,用於替換封閉作用域(enclosing scope)中的所有變量。這有點類似於讓程序員自己做代碼分析,本來這應該是由支持局部作用域的編譯器完成的。如果有多個函數,同時指向相同的變量,那麽這種方法就會失效,但是在這個簡單的例子中,它已經足夠了。

Python高手看來也同意,這是解決這個問題的比較好的方法,寫法如下:

  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

我添加這一段,原因是想避免Python愛好者說我誤解這種語言。但是,在我看來,這兩種寫法好像都比第一個版本更復雜。你實際上就是在做同樣的事,只不過劃出了一個獨立的區域,保存累加器函數,區別只是保存在對象的一個屬性中,而不是保存在列表(list)的頭(head)中。使用這些特殊的內部屬性名(尤其是__call__),看上去並不像常規的解法,更像是一種破解。

在Perl和Python的較量中,Python黑客的觀點似乎是認為Python比Perl更優雅,但是這個例子表明,最終來說,編程能力決定了優雅。Perl的寫法更簡單(包含更少的語法元素),盡管它的語法有一點醜陋。

其他語言怎麽樣?前文曾經提到過Fortran、C、C++、Java和Visual Basic,看上去使用它們,根本無法解決這個問題。Ken Anderson說,Java只能寫出一個近似的解法:

  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;
}};
}

這種寫法不符合題目要求,因為它只對整數有效。

當然,我說使用其他語言無法解決這個問題,這句話並不完全正確。所有這些語言都是圖靈等價的,這意味著嚴格地說,你能使用它們之中的任何一種語言,寫出任何一個程序。那麽,怎樣才能做到這一點呢?就這個小小的例子而言,你可以使用這些不那麽強大的語言,寫一個Lisp解釋器就行了。

這樣做聽上去好像開玩笑,但是在大型編程項目中,卻不同程度地廣泛存在。因此,有人把它總結出來,起名為"格林斯潘第十定律"(Greenspun's Tenth Rule):

"任何C或Fortran程序復雜到一定程度之後,都會包含一個臨時開發的、只有一半功能的、不完全符合規格的、到處都是bug的、運行速度很慢的Common Lisp實現。"

如果你想解決一個困難的問題,關鍵不是你使用的語言是否強大,而是好幾個因素同時發揮作用(a)使用一種強大的語言,(b)為這個難題寫一個事實上的解釋器,或者(c)你自己變成這個難題的人肉編譯器。在Python的例子中,這樣的處理方法已經開始出現了,我們實際上就是自己寫代碼,模擬出編譯器實現局部變量的功能。

這種實踐不僅很普遍,而且已經制度化了。舉例來說,在面向對象編程的世界中,我們大量聽到"模式"(pattern)這個詞,我覺得那些"模式"就是現實中的因素(c),也就是人肉編譯器。 當我在自己的程序中,發現用到了模式,我覺得這就表明某個地方出錯了。程序的形式,應該僅僅反映它所要解決的問題。代碼中其他任何外加的形式,都是一個信號,(至少對我來說)表明我對問題的抽象還不夠深,也經常提醒我,自己正在手工完成的事情,本應該寫代碼,通過宏的擴展自動實現。

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