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為什麽Lisp語言如此先進

壹、

如果我們把流行的編程語言,以這樣的順序排列:Java、Perl、Python、Ruby。妳會發現,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,也壹起模仿了。至於Ruby,如果回到1975年,妳聲稱它是壹種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?

讓我告訴妳原因。

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。他的原意只是想做壹種理論演算,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壹種技術,而是數學。數學是不會過時的。妳不 應該把Lisp語言與50年代的硬件聯系在壹起,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,並且壹直使用至今。它代表了語言設計的壹種完全不同的方向。Lisp是無意中從純理論發展 為編程語言,而Fortran從壹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看成壹種相當低層次的語 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,這兩大方向壹直在互相靠攏。 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,壹步步變得更強大。

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。其中壹些我們今天已經習以為常,另壹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. 函數也是壹種數據類型。在Lisp語言中,函數與整數或字符串壹樣,也屬於數據類型的壹種。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。壹種數據類型應該有的功能,它都有。

3. 遞歸。Lisp是第壹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程序是壹些表達式區塊的集合,每個表達式都返回壹個值。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,如果妳需要用數學式子計算壹個值,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。符號實際上是壹種指針,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壹樣就行了,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。妳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可能是最有意思的壹點。它與思想9只是由於偶然原因,才成為Lisp語言的壹部分,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壹無二的特點。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。

用壹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,意味著妳可以寫出壹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壹樣。Lisp宏無所不包,它既可能是某樣表達式的縮略形式,也可能是壹種新語言的編譯器。如果妳想真正地理解Lisp語言,或者想拓寬妳的編程視野,那麽妳必須學習宏。

就我所知,宏(采用Lisp語言的定義)目前仍然是Lisp獨有的。壹個原因是為了使用宏,妳大概不得不讓妳的語言看上去像Lisp壹樣古 怪。另壹個可能的原因是,如果妳想為自己的語言添上這種終極武器,妳從此就不能聲稱自己發明了新語言,只能說發明了壹種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。如果妳創造了壹種新語言,其中有car、cdr、cons、quote、cond、 atom、eq這樣的功能,還有壹種把函數寫成列表的表示方法,那麽在它們的基礎上,妳完全可以推導出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壹個方向,這是否意味著妳就應該用它編程呢?

如果使用壹種不那麽強大的語言,妳又會有多少損失呢?有時不采用最尖端的技術,不也是壹種明智的選擇嗎?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?

另壹方面,選擇哪壹種編程語言,許多項目是無所謂的,反正不同的語言都能完成工作。壹般來說,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,可能只要寫壹些很小的程序,然後用膠水語言把這些小程序連起來就行了。妳可以用自己熟 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。如果妳只是需要在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,因為開發壹個程序耗費的時間,主要取決於程序的長度。如果同壹個軟件,壹種語言寫出來的代碼比另壹種語言長三倍,這意味 著妳開發它耗費的時間也會多三倍。而且即使妳多雇傭人手,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雜誌上有壹篇介紹ITA軟件公司的文章,裏面說"壹行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,如果妳與ITA競爭,而且妳使用C語言開發軟件,那麽ITA的開發速度將比妳快20倍。如果妳需要壹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,那麽妳需要五年才能做出來。

妳知道嗎?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。如果妳想用壹種低層次的語言,解決壹個很難的問題,那麽妳將會面臨各種情況極其復雜、乃至 想不清楚的窘境。

所以,當我說假定妳與ITA競爭,妳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,我指的五年還是壹切順利、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似乎有壹批非常聰明的黑客,而C語言又是壹種很低層次的語言。但是,在壹個高度競爭的市場中,即使開發速度只相差兩三倍,也足以使得妳永遠處在落後的位置。

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