Lisp语言的本质
摘要：学习Lisp就像战争中争夺山头。尽管在电脑科学领域， Lisp已经算是一门古老的语言， 直到现在仍然很少有人真的明白该怎样给初学者讲授Lisp。尽管Lisp老手们尽了很大努力，今天新手学习Lisp仍然是困难重重。好在现在事情正在发生变化， Lisp的资源正在迅速增加，随着时间推移，Lisp将会越来越受关注。简介最初在Web的某些角落偶然看到有人赞美Lisp时，我那时已经是一个颇有经验的程序员。在我的履历上，掌握的语言范围相当广泛，象C++，Java，C#主流语言等等都不在话下，我觉得我差不多知道所有的有关编程语言的事情。对待编程语言的问题上，我觉得自己不太会遇到什么大问题。其实我大错特错了。我试着学了一下Lisp，结果马上就撞了墙。我被那些范例代码吓坏了。我想很多初次接触Lisp语言的人，一定也有过类似的感受。Lisp的语法太次了。一个语言的发明人，居然不肯用心弄出一套漂亮的语法，那谁还会愿意学它。反正，我是确确实实被那些难看的无数的括号搞蒙了。回过神来之后，我和Lisp社区的那伙人交谈，诉说我的沮丧心情。结果，立马就有一大套理论砸过来，这套理论在Lisp社区处处可见，几成惯例。比如说：Lisp的括号只是表面现象;Lisp的代码和数据的表达方式没有差别，而且比XML语法高明许多，所以有无穷的好处；Lisp有强大无比的元语言能力，程序员可以写出自我维护的代码；Lisp可以创造出针对特定应用的语言子集;Lisp的运行时和编译时没有明确的分界；等等，等等，等等。这么长的赞美词虽然看起来相当动人，不过对我毫无意义。没人能给我演示这些东西是如何应用的，因为这些东西一般来说只有在大型系统才会用到。我争辩说，这些东西传统语言一样办得到。在和别人争论了数个小时之后，我最终还是放弃了学Lisp的念头。为什么要花费几个月的时间学习语法这么难看的语言呢?这种语言的概念这么晦涩，又没什么好懂的例子。也许这语言不是该我这样的人学的。几个月来，我承受着这些Lisp辩护士对我心灵的重压。我一度陷入了困惑。我认识一些绝顶聪明的人，我对他们相当尊敬，我看到他们对Lisp的赞美达到了宗教般的高度。这就是说，Lisp中一定有某种神秘的东西存在，我不能忍受自己对此的无知，好奇心和求知欲最终不可遏制。我于是咬紧牙关埋头学习Lisp，经过几个月的时间费劲心力的练习，终于，我看到了那无穷无尽的泉水的源头。在经过脱胎换骨的磨练之后，在经过七重地狱的煎熬之后，终于，我明白了。顿悟在突然之间来临。曾经许多次，我听到别人引用雷蒙德(译者注：论文<<大教堂和市集>>的作者，著名的黑客社区理论家)的话：“Lisp语言值得学习。当你学会Lisp之后，你会拥有深刻的体验。就算你平常并不用Lisp编程，它也会使你成为更加优秀的程序员”。过去，我根本不懂这些话的含义，我也不相信这是真的。可是现在我懂得了。这些话蕴含的真理远远超过我过去的想像。我内心体会到一种神圣的情感，一瞬间的顿悟，几乎使我对电脑科学的观念发生了根本的改变。顿悟的那一刻，我成了Lisp的崇拜者。我体验到了宗教大师的感受：一定要把我的知识传布开来，至少要让10个迷失的灵魂得到拯救。按照通常的办法，我把这些道理(就是刚开始别人砸过来的那一套，不过现在我明白了真实的含义)告诉旁人。结果太令人失望了，只有少数几个人在我坚持之下，发生了一点兴趣，但是仅仅看了几眼Lisp代码，他们就退却了。照这样的办法，也许费数年功夫能造就了几个Lisp迷，但我觉得这样的结果太差强人意了，我得想一套有更好的办法。我深入地思考了这个问题。是不是Lisp有什么很艰深的东西，令得那么多老练的程序员都不能领会?不是，没有任何绝对艰深的东西。因为我能弄懂，我相信其他人也一定能。那么问题出在那里?后来我终于找到了答案。我的结论就是，凡是教人学高级概念，一定要从他已经懂得的东西开始。如果学习过程很有趣，学习的内容表达得很恰当，新概念就会变得相当直观。这就是我的答案。所谓元编程，所谓数据和代码形式合一，所谓自修改代码，所谓特定应用的子语言，所有这些概念根本就是同族概念，彼此互为解释，肯定越讲越不明白。还是从实际的例子出发最有用。我把我的想法说给Lisp程序员听，遭到了他们的反对。”这些东西本身当然不可能用熟悉的知识来解释，这些概念完全与众不同，你不可能在别人已有的经验里找到类似的东西”，可是我认为这些都是遁词。他们又反问我，“你自己为啥不试一下?”好吧，我来试一下。这篇文章就是我尝试的结果。我要用熟悉的直观的方法来解释Lisp，我希望有勇气的人读完它，拿杯饮料，深呼吸一下，准备被搞得晕头转向。来吧，愿你获得大能。重新审视XML千里之行始于足下。让我们的第一步从XML开始。可是XML已经说得更多的了，还能有什么新意思可说呢?有的。XML自身虽然谈谈不上有趣，但是XML和Lisp的关系却相当有趣。XML和Lisp的概念有着惊人的相似之处。XML是我们通向理解Lisp的桥梁。好吧，我们且把XML当作活马医。让我们拿好手杖，对XML的无人涉及的荒原地带作一番探险。我们要从一个全新的视角来考察这个题目。表面上看，XML是一种标准化语法，它以适合人阅读的格式来表达任意的层次化数据(hirearchicaldata)。象任务表(to-dolist)，网页，病历，汽车保险单，配置文件等等，都是XML用武的地方。比如我们拿任务表做例子：[*]<todo name="housework">
[*] <item priority="high">Clean the house.</item>
[*]<item priority="medium">Wash the dishes.</item>
[*]<item priority="medium">Buy more soap.</item>
[*] </todo>
解析这段数据时会发生什么情况?解析之后的数据在内存中怎样表示?显然，用树来表示这种层次化数据是很恰当的。说到底，XML这种比较容易阅读的数据格式，就是树型结构数据经过序列化之后的结果。任何可以用树来表示的数据，同样可以用XML来表示，反之亦然。希望你能懂得这一点，这对下面的内容极其重要。再进一步。还有什么类型的数据也常用树来表示?无疑列表(list)也是一种。上过编译课吧?还模模糊糊记得一点吧?源代码在解析之后也是用树结构来存放的，任何编译程序都会把源代码解析成一棵抽象语法树，这样的表示法很恰当，因为源代码就是层次结构的：函数包含参数和代码块，代码快包含表达式和语句，语句包含变量和运算符等等。我们已经知道，任何树结构都可以轻而易举的写成XML，而任何代码都会解析成树，因此，任何代码都可以转换成XML，对不对?我举个例子，请看下面的函数：
[*]int add(int arg1， int arg2)
[*] { return arg1+arg2; }
能把这个函数变成对等的XML格式吗?当然可以。我们可以用很多种方式做到，下面是其中的一种，十分简单：
[*]<define-function return-type="int" name="add">
[*]<arguments>
[*] <argument type="int">arg1</argument>
[*]<argument type="int">arg2</argument>
[*]</arguments> <body> <return>
[*]<add value1="arg1" value2="arg2" />
[*]</return>
[*] </body>
[*]</define>
这个例子非常简单，用哪种语言来做都不会有太大问题。我们可以把任何程序码转成XML，也可以把XML转回到原来的程序码。我们可以写一个转换器，把Java代码转成XML，另一个转换器把XML转回到Java。一样的道理，这种手段也可以用来对付C++(这样做跟发疯差不多么。可是的确有人在做，看看GCC-XML(http：//www.gccxml.org)就知道了)。进一步说，凡是有相同语言特性而语法不同的语言，都可以把XML当作中介来互相转换代码。实际上几乎所有的主流语言都在一定程度上满足这个条件。我们可以把XML作为一种中间表示法，在两种语言之间互相译码。比方说，我们可以用Java2XML把Java代码转换成XML，然后用XML2CPP再把XML转换成C++代码，运气好的话，就是说，如果我们小心避免使用那些C++不具备的Java特性的话，我们可以得到完好的C++程序。这办法怎么样，漂亮吧?这一切充分说明，我们可以把XML作为源代码的通用存储方式，其实我们能够产生一整套使用统一语法的程序语言，也能写出转换器，把已有代码转换成XML格式。如果真的采纳这种办法，各种语言的编译器就用不着自己写语法解析了，它们可以直接用XML的语法解析来直接生成抽象语法树。说到这里你该问了，我们研究了这半天XML，这和Lisp有什么关系呢?毕竟XML出来之时，Lisp早已经问世三十年了。这里我可以保证，你马上就会明白。不过在继续解释之前，我们先做一个小小的思维练习。看一下上面这个XML版本的add函数例子，你怎样给它分类，是代码还是数据?不用太多考虑都能明白，把它分到哪一类都讲得通。它是XML，它是标准格式的数据。我们也知道，它可以通过内存中的树结构来生成(GCC-XML做的就是这个事情)。它保存在不可执行的文件中。我们可以把它解析成树节点，然后做任意的转换。显而易见，它是数据。不过且慢，虽然它语法有点陌生，可它又确确实实是一个add函数，对吧?一旦经过解析，它就可以拿给编译器编译执行。我们可以轻而易举写出这个XML代码解释器，并且直接运行它。或者我们也可以把它译成Java或C++代码，然后再编译运行。所以说，它也是代码。我们说到那里了?不错，我们已经发现了一个有趣的关键之点。过去被认为很难解的概念已经非常直观非常简单的显现出来。代码也是数据，并且从来都是如此。这听起来疯疯癫癫的，实际上却是必然之事。我许诺过会以一种全新的方式来解释Lisp，我要重申我的许诺。但是我们此刻还没有到预定的地方，所以还是先继续上边的讨论。刚才我说过，我们可以非常简单地实现XML版的add函数解释器，这听起来好像不过是说说而已。谁真的会动手做一下呢?未必有多少人会认真对待这件事。随便说说，并不打算真的去做，这样的事情你在生活中恐怕也遇到吧。你明白我这样说的意思吧，我说的有没有打动你?有哇，那好，我们继续。重新审视Ant我们现在已经来到了月亮背光的那一面，先别忙着离开。再探索一下，看看我们还能发现什么东西。闭上眼睛，想一想2000年冬天的那个雨夜，一个名叫JamesDuncanDavidson的杰出的程序员正在研究Tomcat的servlet容器。那时，他正小心地保存好刚修改过的文件，然后执行make。结果冒出了一大堆错误，显然有什么东西搞错了。经过仔细检查，他想，难道是因为tab前面加了个空格而导致命令不能执行吗?确实如此。老是这样，他真的受够了。乌云背后的月亮给了他启示，他创建了一个新的Java项目，然后写了一个简单但是十分有用的工具，这个工具巧妙地利用了Java属性文件中的信息来构造工程，现在James可以写makefile的替代品，它能起到相同的作用，而形式更加优美，也不用担心有makefile那样可恨的空格问题。这个工具能够自动解释属性文件，然后采取正确的动作来编译工程。真是简单而优美。(作者注：我不认识James，James也不认识我，这个故事是根据网上关于Ant历史的帖子虚构的)使用Ant构造Tomcat之后几个月，他越来越感到Java的属性文件不足以表达复杂的构造指令。文件需要检出，拷贝，编译，发到另外一台机器，进行单元测试。要是出错，就发邮件给相关人员，要是成功，就继续在尽可能高层的卷(volumn)上执行构造。追踪到最后，卷要回复到最初的水平上。确实，Java的属性文件不够用了，James需要更有弹性的解决方案。他不想自己写解析器(因为他更希望有一个具有工业标准的方案)。XML看起来是个不错的选择。他花了几天工夫把Ant移植到XML，于是，一件伟大的工具诞生了。Ant是怎样工作的？原理非常简单。Ant把包含有构造命令的XML文件(算代码还是算数据，你自己想吧)，交给一个Java程序来解析每一个元素，实际情况比我说的还要简单得多。一个简单的XML指令会导致具有相同名字的Java类装入，并执行其代码。
[*]<copy todir="../new/dir">
[*]<fileset dir="src_dir" />
[*]</copy>
这段文字的含义是把源目录复制到目标目录，Ant会找到一个”copy”任务(实际上就是一个Java类)，通过调用Java的方法来设置适当参数(todir和fileset)，然后执行这个任务。Ant带有一组核心类，可以由用户任意扩展，只要遵守若干约定就可以。Ant找到这些类，每当遇到XML元素有同样的名字，就执行相应的代码。过程非常简单。Ant做到了我们前面所说的东西：它是一个语言解释器，以XML作为语法，把XML元素转译为适当的Java指令。我们可以写一个”add”任务，然后，当发现XML中有add描述的时候，就执行这个add任务。由于Ant是非常流行的项目，前面展示的策略就显得更为明智。毕竟，这个工具每天差不多有几千家公司在使用。到目前为之，我还没有说Ant在解析XML时所遇到困难。你也不用麻烦去它的网站上去找答案了，不会找到有价值的东西。至少对我们这个论题来说是如此。我们还是继续下一步讨论吧。我们答案就在那里。为什么是XML有时候正确的决策并非完全出于深思熟虑。我不知道James选择XML是否出于深思熟虑。也许仅仅是个下意识的决定。至少从James在Ant网站上发表的文章看起来，他所说的理由完全是似是而非。他的主要理由是移植性和扩展性，在Ant案例上，我看不出这两条有什么帮助。使用XML而不是Java代码，到底有什么好处?为什么不写一组Java类，提供api来满足基本任务(拷贝目录，编译等等)，然后在Java里直接调用这些代码?这样做仍然可以保证移植性，扩展性也是毫无疑问的。而且语法也更为熟悉，看着顺眼。那为什么要用XML呢?有什么更好的理由吗?有的。虽然我不确定James是否确实意识到了。在语义的可构造性方面，XML的弹性是Java望尘莫及的。我不想用高深莫测的名词来吓唬你，其中的道理相当简单，解释起来并不费很多功夫。好，做好预备动作，我们马上就要朝向顿悟的时刻做奋力一跃。上面的那个copy的例子，用Java代码怎样实现呢?我们可以这样做：
[*]CopyTask copy = new CopyTask();
[*]Fileset fileset = new Fileset();
[*]fileset.setDir("src_dir");
[*]copy.setToDir("../new/dir");
[*]copy.setFileset(fileset);
[*]copy.excute();
这个代码看起来和XML的那个很相似，只是稍微长一点。差别在那里?差别在于XML构造了一个特殊的copy动词，如果我们硬要用Java来写的话，应该是这个样子：
[*]copy("../new/dir");
[*]{
[*] fileset("src_dir");
[*]}
看到差别了吗?以上代码(如果可以在Java中用的化)，是一个特殊的copy算符，有点像for循环或者Java5中的foreach循环。如果我们有一个转换器，可以把XML转换到Java，大概就会得到上面这段事实上不可以执行的代码。因为Java的技术规范是定死的，我们没有办法在程序里改变它。我们可以增加包，增加类，增加方法，但是我们没办法增加算符，而对于XML，我们显然可以任由自己增加这样的东西。对于XML的语法树来说，只要原意，我们可以任意增加任何元素，因此等于我们可以任意增加算符。如果你还不太明白的话，看下面这个例子，加入我们要给Java引入一个unless算符：
[*]unless(someObject.canFly())
[*]{
[*] someObject.transportByGround():
[*]}
在上面的两个例子中，我们打算给Java语法扩展两个算符，成组拷贝文件算符和条件算符unless，我们要想做到这一点，就必须修改Java编译器能够接受的抽象语法树，显然我们无法用Java标准的功能来实现它。但是在XML中我们可以轻而易举地做到。我们的解析器根据XML元素，生成抽象语法树，由此生成算符，所以，我们可以任意引入任何算符。对于复杂的算符来说，这样做的好处显而易见。比如，用特定的算符来做检出源码，编译文件，单元测试，发送邮件等任务，想想看有多么美妙。对于特定的题目，比如说构造软件项目，这些算符的使用可以大幅减低少代码的数量。增加代码的清晰程度和可重用性。解释性的XML可以很容易的达到这个目标。XML是存储层次化数据的简单数据文件，而在Java中，由于层次结构是定死的(你很快就会看到，Lisp的情况与此截然不同)，我们就没法达到上述目标。也许这正是Ant的成功之处呢。你可以注意一下最近Java和C#的变化(尤其是C#3.0的技术规范)，C#把常用的功能抽象出来，作为算符增加到C#中。C#新增加的query算符就是一个例子。它用的还是传统的作法：C#的设计者修改抽象语法树，然后增加对应的实现。如果程序员自己也能修改抽象语法树该有多好!那样我们就可以构造用于特定问题的子语言(比如说就像Ant这种用于构造项目的语言)，你能想到别的例子吗?再思考一下这个概念。不过也不必思考太甚，我们待会还会回到这个题目。那时候就会更加清晰。离Lisp越来越近我们先把算符的事情放一放，考虑一下Ant设计局限之外的东西。我早先说过，Ant可以通过写Java类来扩展。Ant解析器会根据名字来匹配XML元素和Java类，一旦找到匹配，就执行相应任务。为什么不用Ant自己来扩展Ant呢?毕竟核心任务要包含很多传统语言的结构(例如”if”)，如果Ant自身就能提供构造任务的能力(而不是依赖java类)，我们就可以得到更高的移植性。我们将会依赖一组核心任务(如果你原意，也不妨把它称作标准库)，而不用管有没有Java环境了。这组核心任务可以用任何方式来实现，而其他任务建筑在这组核心任务之上，那样的话，Ant就会成为通用的，可扩展的，基于XML的编程语言。考虑下面这种代码的可能性：
[*]<task name="Test">
[*]<echo message="Hello World" />
[*]</task>
[*]<Test />
如果XML支持”task”的创建，上面这段代码就会输出”HelloWorld!”.实际上，我们可以用Java写个”task”任务，然后用Ant-XML来扩展它。Ant可以在简单原语的基础上写出更复杂的原语，就像其他编程语言常用的作法一样。这也就是我们一开始提到的基于XML的编程语言。这样做用处不大(你知道为甚么吗?)，但是真的很酷。再看一回我们刚才说的Task任务。祝贺你呀，你在看Lisp代码!!!我说什么?一点都不像Lisp吗?没关系，我们再给它收拾一下。比XML更好前面一节说过，Ant自我扩展没什么大用，原因在于XML很烦琐。对于数据来说，这个问题还不太大，但如果代码很烦琐的话，光是打字上的麻烦就足以抵消它的好处。你写过Ant的脚本吗?我写过，当脚本达到一定复杂度的时候，XML非常让人厌烦。想想看吧，为了写结束标签，每个词都得打两遍，不发疯算好的!为了解决这个问题，我们应当简化写法。须知，XML仅仅是一种表达层次化数据的方式。我们并不是一定要使用尖括号才能得到树的序列化结果。我们完全可以采用其他的格式。其中的一种(刚好就是Lisp所采用的)格式，叫做s表达式。s表达式要做的和XML一样，但它的好处是写法更简单，简单的写法更适合代码输入。后面我会详细讲s表达式。这之前我要清理一下XML的东西。考虑一下关于拷贝文件的例子：
[*]<copy toDir="../new/dir">
[*]<fileset dir="src_dir">
[*]</copy>
想想看在内存里面，这段代码的解析树在内存会是什么样子?会有一个”copy”节点，其下有一个“fileset”节点，但是属性在哪里呢?它怎样表达呢?如果你以前用过XML，并且弄不清楚该用元素还是该用属性，你不用感到孤单，别人一样糊涂着呢。没人真的搞得清楚。这个选择与其说是基于技术的理由，还不如说是闭着眼瞎摸。从概念上来讲，属性也是一种元素，任何属性能做的，元素一样做得到。XML引入属性的理由，其实就是为了让XML写法不那么冗长。比如我们看个例子：
[*]<copy>
[*]<toDir>../new/dir</toDir>
[*]<fileset>
[*]<dir>src_dir</dir>
[*]</fileset>
[*]</copy>
两下比较，内容的信息量完全一样，用属性可以减少打字数量。如果XML没有属性的话，光是打字就够把人搞疯掉。说完了属性的问题，我们再来看一看s表达式。之所以绕这么个弯，是因为s表达式没有属性的概念。因为s表达式非常简练，根本没有必要引入属性。我们在把XML转换成s表达式的时候，心里应该记住这一点。看个例子，上面的代码译成s表达式是这样的：
[*](copy
[*](todir "../new/dir")
[*](fileset (dir "src_dir")))
仔细看看这个例子，差别在哪里?尖括号改成了圆括号，每个元素原来是有一对括号标记包围的，现在取消了后一个(就是带斜杠的那个)括号标记。表示元素的结束只需要一个”)”就可以了。不错，差别就是这些。这两种表达方式的转换，非常自然，也非常简单。s表达式打起字来，也省事得多。第一次看s表达式(Lisp)时，括号很烦人是吧?现在我们明白了背后的道理，一下子就变得容易多了。至少，比XML要好的多。用s表达式写代码，不单是实用，而且也很让人愉快。s表达式具有XML的一切好处，这些好处是我们刚刚探讨过的。现在我们看看更加Lisp风格的task例子：
[*](task (name "Test")
[*](echo (message "Hellow World!")))
[*](Test)
用Lisp的行话来讲，s表达式称为表(list)。对于上面的例子，如果我们写的时候不加换行，用逗号来代替空格，那么这个表达式看起来就非常像一个元素列表，其中又嵌套着其他标记。
[*](task, (name, "test"), (echo, (message, "Hello World!")))
XML自然也可以用这样的风格来写。当然上面这句并不是一般意义上的元素表。它实际上是一个树。这和XML的作用是一样的。称它为列表，希望你不会感到迷惑，因为嵌套表和树实际上是一码事。Lisp的字面意思就是表处理(listprocessing)，其实也可以称为树处理，这和处理XML节点没有什么不同。经受这一番折磨以后，现在我们终于相当接近Lisp了，Lisp的括号的神秘本质(就像许多Lisp狂热分子认为的)逐渐显现出来。现在我们继续研究其他内容。重新审视C语言的宏到了这里，对XML的讨论你大概都听累了，我都讲累了。我们先停一停，把树，s表达式，Ant这些东西先放一放，我们来说说C的预处理器。一定有人问了，我们的话题和C有什么关系?我们已经知道了很多关于元编程的事情，也探讨过专门写代码的代码。理解这问题有一定难度，因为相关讨论文章所使用的编程语言，都是你们不熟悉的。但是如果只论概念的话，就相对要简单一些。我相信，如果以C语言做例子来讨论元编程，理解起来一定会容易得多。好，我们接着看。一个问题是，为什么要用代码来写代码呢?在实际的编程中，怎样做到这一点呢?到底元编程是什么意思?你大概已经听说过这些问题的答案，但是并不懂得其中缘由。为了揭示背后的真理，我们来看一下一个简单的数据库查询问题。这种题目我们都做过。比方说，直接在程序码里到处写SQL语句来修改表(table)里的数据，写多了就非常烦人。即便用C#3.0的LINQ，仍然不减其痛苦。写一个完整的SQL查询(尽管语法很优美)来修改某人的地址，或者查找某人的名字，绝对是件令程序员倍感乏味的事情，那么我们该怎样来解决这个问题?答案就是：使用数据访问层。概念挺简单，其要点是把数据访问的内容(至少是那些比较琐碎的部分)抽象出来，用类来映射数据库的表，然后用访问对象属性访问器(accessor)的办法来间接实现查询。这样就极大地简化了开发工作量。我们用访问对象的方法(或者属性赋值，这要视你选用的语言而定)来代替写SQL查询语句。凡是用过这种方法的人，都知道这很节省时间。当然，如果你要亲自写这样一个抽象层，那可是要花非常多的时间的–你要写一组类来映射表，把属性访问转换为SQL查询，这个活相当耗费精力。用手工来做显然是很不明智的。但是一旦你有了方案和模板，实际上就没有多少东西需要思考的。你只需要按照同样的模板一次又一次重复编写相似代码就可以了。事实上很多人已经发现了更好的方法，有一些工具可以帮助你连接数据库，抓取数据库结构定义(schema)，按照预定义的或者用户定制的模板来自动编写代码。如果你用过这种工具，你肯定会对它的神奇效果深为折服。往往只需要鼠标点击数次，就可以连接到数据库，产生数据访问源码，然后把文件加入到你的工程里面，十几分钟的工作，按照往常手工方式来作的话，也许需要数百个小时人工(man-hours)才能完成。可是，如果你的数据库结构定义后来改变了怎么办?那样的话，你只需把这个过程重复一遍就可以了。甚至有一些工具能自动完成这项变动工作。你只要把它作为工程构造的一部分，每次编译工程的时候，数据库部分也会自动地重新构造。这真的太棒了。你要做的事情基本上减到了0。如果数据库结构定义发生了改变，并在编译时自动更新了数据访问层的代码，那么程序中任何使用过时的旧代码的地方，都会引发编译错误。数据访问层是个很好的例子，这样的例子还有好多。从GUI样板代码，WEB代码，COM和CORBA存根，以及MFC和ATL等等。在这些地方，都是有好多相似代码多次重复。既然这些代码有可能自动编写，而程序员时间又远远比CPU时间昂贵，当然就产生了好多工具来自动生成样板代码。这些工具的本质是什么呢?它们实际上就是制造程序的程序。它们有一个神秘的名字，叫做元编程。所谓元编程的本义，就是如此。元编程本来可以用到无数多的地方，但实际上使用的次数却没有那么多。归根结底，我们心里还是在盘算，假设重复代码用拷贝粘贴的话，大概要重复6，7次，对于这样的工作量，值得专门建立一套生成工具吗?当然不值得。数据访问层和COM存根往往需要重用数百次，甚至上千次，所以用工具生成是最好的办法。而那些仅仅是重复几次十几次的代码，是没有必要专门做工具的。不必要的时候也去开发代码生成工具，那就显然过度估计了代码生成的好处。当然，如果创建这类工具足够简单的话，还是应当尽量多用，因为这样做必然会节省时间。现在来看一下有没有合理的办法来达到这个目的。现在，C预处理器要派上用场了。我们都用过C/C++的预处理器，我们用它执行简单的编译指令，来产生简单的代码变换(比方说，设置调试代码开关)，看一个例子：
[*]#define triple(X) X+X+X
这一行的作用是什么?这是一个简单的预编译指令，它把程序中的triple(X)替换称为X+X+X。例如，把所有的triple(5)都换成5+5+5，然后再交给编译器编译。这就是一个简单的代码生成的例子。要是C的预处理器再强大一点，要是能够允许连接数据库，要是能多一些其他简单的机制，我们就可以在我们程序的内部开发自己的数据访问层。下面这个例子，是一个假想的对C宏的扩展：
[*]#get-db-schema("127.0.0.1")
[*]#iterate-through-tables
[*]#for-each-table
[*]class #table-name
[*]{
[*]};
[*]#end-for-each
我们连接数据库结构定义，遍历数据表，然后对每个表创建一个类，只消几行代码就完成了这个工作。这样每次编译工程的时候，这些类都会根据数据库的定义同步更新。显而易见，我们不费吹灰之力就在程序内部建立了一个完整的数据访问层，根本用不着任何外部工具。当然这种作法有一个缺点，那就是我们得学习一套新的”编译时语言”，另一个缺点就是根本不存在这么一个高级版的C预处理器。需要做复杂代码生成的时候，这个语言(译者注：这里指预处理指令，即作者所说的”编译时语言”)本身也一定会变得相当复杂。它必须支持足够多的库和语言结构。比如说我们想要生成的代码要依赖某些ftp服务器上的文件，预处理器就得支持ftp访问，仅仅因为这个任务而不得不创造和学习一门新的语言，真是有点让人恶心(事实上已经存在着有此能力的语言，这样做就更显荒谬)。我们不妨再灵活一点，为什么不直接用C/C++自己作为自己的预处理语言呢?这样子的话，我们可以发挥语言的强大能力，要学的新东西也只不过是几个简单的指示字，这些指示字用来区别编译时代码和运行时代码。
[*]<%
[*]cout<<"Enter a number: ";
[*]cin>>n;
[*]%>
[*]for(int i=0;i< <% n %>;i++)
[*]{
[*]cout<<"hello"<<endl;
[*]}
你明白了吗?在<%和%>标记之间的代码是在编译时运行的，标记之外的其他代码都是普通代码。编译程序时，系统会提示你输入一个数，这个数在后面的循环中会用到。而for循环的代码会被编译。假定你在编译时输入5，for循环的代码将会是：
[*]for(int i=0;i<5; i++)
[*]{
[*] cout<<"hello"<<endl;
[*]}
又简单又有效率，也不需要另外的预处理语言。我们可以在编译时就充分发挥宿主语言(此处是C/C++)的强大能力，我们可以很容易地在编译时连接数据库，建立数据访问层，就像JSP或者ASP创建网页那样。我们也用不着专门的窗口工具来另外建立工程。我们可以在代码中立即加入必要的工具。我们也用不着顾虑建立这种工具是不是值得，因为这太容易了，太简单了。这样子不知可以节省多少时间啊。你好，Lisp到此刻为止，我们所知的关于Lisp的指示可以总结为一句话：Lisp是一个可执行的语法更优美的XML，但我们还没有说Lisp是怎样做到这一点的，现在开始补上这个话题。Lisp有丰富的内置数据类型，其中的整数和字符串和其他语言没什么分别。像71或者”hello”这样的值，含义也和C++或者Java这样的语言大体相同。真正有意思的三种类型是符号(symbol)，表和函数。这一章的剩余部分，我都会用来介绍这几种类型，还要介绍Lisp环境是怎样编译和运行源码的。这个过程用Lisp的术语来说通常叫做求值。通读这一节内容，对于透彻理解元编程的真正潜力，以及代码和数据的同一性，和面向领域语言的观念，都极其重要。万勿等闲视之。我会尽量讲得生动有趣一些，也希望你能获得一些启发。那好，我们先讲符号。大体上，符号相当于C++或Java语言中的标志符，它的名字可以用来访问变量值(例如currentTime，arrayCount，n，等等)，差别在于，Lisp中的符号更加基本。在C++或Java里面，变量名只能用字母和下划线的组合，而Lisp的符号则非常有包容性，比如，加号(+)就是一个合法的符号，其他的像-，=，hello-world，*等等都可以是符号名。符号名的命名规则可以在网上查到。你可以给这些符号任意赋值，我们这里先用伪码来说明这一点。假定函数set是给变量赋值(就像等号=在C++和Java里的作用)，下面是我们的例子：
[*]set(test, 5) // 符号test的值为5
[*]set(=, 5) // 符号=的值为5
[*]set(test, "hello") // 符号test的值为字符串"hello"
[*]set(test, =) // 此时符号=的值为5, 所以test的也为5
[*]set(*, "hello") // 符号*的值为"hello"
好像有什么不对的地方?假定我们对*赋给整数或者字符串值，那做乘法时怎么办?不管怎么说，*总是乘法呀?答案简单极了。Lisp中函数的角色十分特殊，函数也是一种数据类型，就像整数和字符串一样，因此可以把它赋值给符号。乘法函数Lisp的内置函数，默认赋给*，你可以把其他函数赋值给*，那样*就不代表乘法了。你也可以把这函数的值存到另外的变量里。我们再用伪码来说明一下：
[*]3,4) // 3乘4, 结果是12
[*]set(temp, *) // 把*的值, 也就是乘法函数, 赋值给temp
[*]set(*, 3) // 把3赋予*
[*]*(3,4) // 错误的表达式, *不再是乘法, 而是数值3
[*]temp(3,4) // temp是乘法函数, 所以此表达式的值为3乘4等于12
[*]set(*, temp) // 再次把乘法函数赋予*
[*]*(3,4) // 3乘4等于12
再古怪一点，把减号的值赋给加号：
[*]set(+, -) // 减号(-)是内置的减法函数
[*]+(5, 4) // 加号(+)现在是代表减法函数, 结果是5减4等于1
这只是举例子，我还没有详细讲函数。Lisp中的函数是一种数据类型，和整数，字符串，符号等等一样。一个函数并不必然有一个名字，这和C++或者Java语言的情形很不相同。在这里函数自己代表自己。事实上它是一个指向代码块的指针，附带有一些其他信息(例如一组参数变量)。只有在把函数赋予其他符号时，它才具有了名字，就像把一个数值或字符串赋予变量一样的道理。你可以用一个内置的专门用于创建函数的函数来创建函数，然后把它赋值给符号fn，用伪码来表示就是：
[*]fn
[*]{
[*] return *(a, 2);
[*]}
这段代码返回一个具有一个参数的函数，函数的功能是计算参数乘2的结果。这个函数还没有名字，你可以把此函数赋值给别的符号：set(times-two， fn {return *(a， 2)}) 我们现在可以这样调用这个函数：time-two(5) // 返回10 我们先跳过符号和函数，讲一讲表。什么是表?你也许已经听过好多相关的说法。表，一言以蔽之，就是把类似XML那样的数据块，用s表达式来表示。表用一对括号括住，表中元素以空格分隔，表可以嵌套。例如(这回我们用真正的Lisp语法，注意用分号表示注释)：
[*]() ; 空表
[*](1) ; 含一个元素的表
[*](1 "test") ; 两元素表, 一个元素是整数1, 另一个是字符串
[*](test "hello") ; 两元素表, 一个元素是符号, 另一个是字符串
[*](test (1 2) "hello") ; 三元素表, 一个符号test, 一个含有两个元素1和2的
[*]; 表, 最后一个元素是字符串
当Lisp系统遇到这样的表时，它所做的，和Ant处理XML数据所做的，非常相似，那就是试图执行它们。其实，Lisp源码就是特定的一种表，好比Ant源码是一种特定的XML一样。Lisp执行表的顺序是这样的，表的第一个元素当作函数，其他元素当作函数的参数。如果其中某个参数也是表，那就按照同样的原则对这个表求值，结果再传递给最初的函数作为参数。这就是基本原则。我们看一下真正的代码：
[*](* 3 4) ; 相当于前面列举过的伪码*(3,4), 即计算3乘4
[*](times-two 5) ; 返回10, times-two按照前面的定义是求参数的2倍
[*](3 4) ; 错误, 3不是函数
[*](time-two) ; 错误, times-two要求一个参数
[*](times-two 3 4) ; 错误, times-two只要求一个参数
[*](set + -) ; 把减法函数赋予符号+
[*](+ 5 4) ; 依据上一句的结果, 此时+表示减法, 所以返回1
[*](* 3 (+ 2 2)) ; 2+2的结果是4, 再乘3, 结果是12
上述的例子中，所有的表都是当作代码来处理的。怎样把表当作数据来处理呢?同样的，设想一下，Ant是把XML数据当作自己的参数。在Lisp中，我们给表加一个前缀’来表示数据。
[*](set test '(1 2)) ; test的值为两元素表
[*](set test (1 2)) ; 错误, 1不是函数
[*](set test '(* 3 4)) ; test的值是三元素表, 三个元素分别是*, 3, 4
我们可以用一个内置的函数head来返回表的第一个元素，tail函数来返回剩余元素组成的表。
[*](head '(* 3 4)) ; 返回符号*
[*](tail '(* 3 4)) ; 返回表(3 4)
[*](head (tal '(* 3 4))) ; 返回3
[*](head test) ; 返回*
你可以把Lisp的内置函数想像成Ant的任务。差别在于，我们不用在另外的语言中扩展Lisp(虽然完全可以做得到)，我们可以用Lisp自己来扩展自己，就像上面举的times-two函数的例子。Lisp的内置函数集十分精简，只包含了十分必要的部分。剩下的函数都是作为标准库来实现的。Lisp宏我们已经看到，元编程在一个类似jsp的模板引擎方面的应用。我们通过简单的字符串处理来生成代码。但是我们可以做的更好。我们先提一个问题，怎样写一个工具，通过查找目录结构中的源文件来自动生成Ant脚本。用字符串处理的方式生成Ant脚本是一种简单的方式。当然，还有一种更加抽象，表达能力更强，扩展性更好的方式，就是利用XML库在内存中直接生成XML节点，这样的话内存中的节点就可以自动序列化成为字符串。不仅如此，我们的工具还可以分析这些节点，对已有的XML文件做变换。通过直接处理XML节点。我们可以超越字符串处理，使用更高层次的概念，因此我们的工作就会做的更快更好。我们当然可以直接用Ant自身来处理XML变换和制作代码生成工具。或者我们也可以用Lisp来做这项工作。正像我们以前所知的，表是Lisp内置的数据结构，Lisp含有大量的工具来快速有效的操作表(head和tail是最简单的两个)。而且，Lisp没有语义约束，你可以构造任何数据结构，只要你原意。Lisp通过宏(macro)来做元编程。我们写一组宏来把任务列表(to-dolist)转换为专用领域语言。回想一下上面to-dolist的例子，其XML的数据格式是这样的：
[*]<todo name = "housework">
[*]<item priority = "high">Clean the hose</item>
[*]<item priority = "medium">Wash the dishes</item>
[*]<item priority = "medium">Buy more soap</item>
[*]</todo>
相应的s表达式是这样的：
[*](todo "housework"
[*](item (priority high) "Clean the house")
[*](item (priority medium) "Wash the dishes")
[*](item (priority medium) "Buy more soap"))
假设我们要写一个任务表的管理程序，把任务表数据存到一组文件里，当程序启动时，从文件读取这些数据并显示给用户。在别的语言里(比如说Java)，这个任务该怎么做?我们会解析XML文件，从中得出任务表数据，然后写代码遍历XML树，再转换为Java的数据结构(老实讲，在Java里解析XML真不是件轻松的事情)，最后再把数据展示给用户。现在如果用Lisp，该怎么做?假定要用同样思路的化，我们大概会用Lisp库来解析XML。XML对我们来说就是一个Lisp的表(s表达式)，我们可以遍历这个表，然后把相关数据提交给用户。可是，既然我们用Lisp，就根本没有必要再用XML格式保存数据，直接用s表达式就好了，这样就没有必要做转换了。我们也用不着专门的解析库，Lisp可以直接在内存里处理s表达式。注意，Lisp编译器和.net编译器一样，对Lisp程序来说，在运行时总是随时可用的。但是还有更好的办法。我们甚至不用写表达式来存储数据，我们可以写宏，把数据当作代码来处理。那该怎么做呢?真的简单。回想一下，Lisp的函数调用格式：(function-name arg1 arg2 arg3) 其中每个参数都是s表达式，求值以后，传递给函数。如果我们用(+45)来代替arg1，那么，程序会先求出结果，就是9，然后把9传递给函数。宏的工作方式和函数类似。主要的差别是，宏的参数在代入时不求值。(macro-name (+ 4 5)) 这里，(+45)作为一个表传递给宏，然后宏就可以任意处理这个表，当然也可以对它求值。宏的返回值是一个表，然后有程序作为代码来执行。宏所占的位置，就被替换为这个结果代码。我们可以定义一个宏把数据替换为任意代码，比方说，替换为显示数据给用户的代码。这和元编程，以及我们要做的任务表程序有什么关系呢?实际上，编译器会替我们工作，调用相应的宏。我们所要做的，仅仅是创建一个把数据转换为适当代码的宏。例如，上面曾经将过的C的求三次方的宏，用Lisp来写是这样子：
[*](defmacro triple (x)
[*]`(+ ~x ~x ~x))
(译注：在CommonLisp中，此处的单引号应当是反单引号，意思是对表不求值，但可以对表中某元素求值，记号~表示对元素x求值，这个求值记号在CommonLisp中应当是逗号。反单引号和单引号的区别是，单引号标识的表，其中的元素都不求值。这里作者所用的记号是自己发明的一种Lisp方言Blaise，和commonlisp略有不同，事实上，发明方言是lisp高手独有的乐趣，很多狂热分子都热衷这样做。比如PaulGraham就发明了ARC，许多记号比传统的Lisp简洁得多，显得比较现代)单引号的用处是禁止对表求值。每次程序中出现triple的时候(triple 4) 都会被替换成：(+ 4 4 4) 我们可以为任务表程序写一个宏，把任务数据转换为可执行码，然后执行。假定我们的输出是在控制台：
[*](defmacro item (priority note)
[*]`(block
[*](print stdout tab "Prority: " ~(head (tail priority)) endl)
[*](print stdout tab "Note: " ~note endl endl)))
我们创造了一个非常小的有限的语言来管理嵌在Lisp中的任务表。这个语言只用来解决特定领域的问题，通常称之为DSLs(特定领域语言，或专用领域语言)。特定领域语言本文谈到了两个特定领域语言，一个是Ant，处理软件构造。一个是没起名字的，用于处理任务表。两者的差别在于，Ant是用XML，XML解析器，以及Java语言合在一起构造出来的。而我们的迷你语言则完全内嵌在Lisp中，只消几分钟就做出来了。我们已经说过了DSL的好处，这也就是Ant用XML而不直接用Java的原因。如果使用Lisp，我们可以任意创建DSL，只要我们需要。我们可以创建用于网站程序的DSL，可以写多用户游戏，做固定收益贸易(fixedincometrade)，解决蛋白质折叠问题，处理事务问题，等等。我们可以把这些叠放在一起，造出一个语言，专门解决基于网络的贸易程序，既有网络语言的优势，又有贸易语言的好处。每天我们都会收获这种方法带给我们的益处，远远超过Ant所能给予我们的。用DSL解决问题，做出的程序精简，易于维护，富有弹性。在Java里面，我们可以用类来处理问题。这两种方法的差别在于，Lisp使我们达到了一个更高层次的抽象，我们不再受语言解析器本身的限制，比较一下用Java库直接写的构造脚本和用Ant写的构造脚本其间的差别。同样的，比较一下你以前所做的工作，你就会明白Lisp带来的好处。接下来学习Lisp就像战争中争夺山头。尽管在电脑科学领域，Lisp已经算是一门古老的语言，直到现在仍然很少有人真的明白该怎样给初学者讲授Lisp。尽管Lisp老手们尽了很大努力，今天新手学习Lisp仍然是困难重重。好在现在事情正在发生变化，Lisp的资源正在迅速增加，随着时间推移，Lisp将会越来越受关注。Lisp使人超越平庸，走到前沿。学会Lisp意味着你能找到更好的工作，因为聪明的雇主会被你与众不同的洞察力所打动。学会Lisp也可能意味着明天你可能会被解雇，因为你总是强调，如果公司所有软件都用Lisp写，公司将会如何卓越，而这些话你的同事会听烦的。Lisp值得努力学习吗?那些已经学会Lisp的人都说值得，当然，这取决于你的判断。
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