匿名函数在很多语言中的表现形式大概如下:
(lambda (n) (* (+ n 1) (- n 1)))
只有参数列表和函数体,而没有名字。在大部分情况下没问题,但是一旦需要用到递归的话,就有点麻烦了,因为不知道如何去递归的调用一个匿名函数。
在学术界中有一些解决这个问题的办法,其中一个就是Y组合子,但是那个太繁琐,而且难以通过宏自动将一个lambda变成可递归形式,没什么好处。
根据历史经验,目前比较好的办法,就是实现一个操作符,匿名函数通过这个操作符来调用自身:
(lambda (n) ... (this (- n 1))) 或者是 (lambda (n) ... (lambda (- n 1)))
第一种是用this或其他东西来表示当前匿名函数本身,直接调用就可以递归。第二种是和有名函数一样,用和定义匿名函数一样的操作符来调用自身。
然而第二种不实际,因为这样会造成混乱,比如需要嵌套lambda时,而且其语义也不对。
所以此文主要围绕第一种方式:实现让this指向当前匿名函数,从而可以递归调用自身。
NewLisp是一个Lisp语言的实现,也可以说是一个方言,其与Common Lisp相比,少了很多东西,但远比Common Lisp容易使用。Lisp系列的语言有一个特点:没有语法。或者说极小语法,用Lisp编写程序,直接没有了语法阶段,从语义开始起步,所以非常接近编译器。Lisp是一个多范式编程语言,支持命令式、函数式、面向对象等等,当然Lisp其实应该被称为:列表处理语言。或者说是:抽象语法树处理语言。源程序就是AST,通过设计AST来构建软件。
首先我们找个最简单的办法,然后逐步改善。
在匿名函数内部定义一个局部函数,通过调用这个函数,就可以实现递归自身了。比如在要定义的递归匿名函数中再定义一个函数作为主体函数,通过调用这个函数来实现递归的效果。
大概的形式如下:
(lambda (n) (define this (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1))))) (this n))
现在可以设计一个定义可递归匿名函数的宏了:
(define-macro (lambda* _args) (letex ((fargs _args) (fbody (cons 'begin $args)) (fcall (cons 'this (flat _args)))) (lambda fargs (define (this fargs) fbody) fcall)))
这样,只需要用lambda*,就可以定义一个可递归的匿名函数:
; 通过this来调用自身 (lambda* (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1)))))
但是这样有一个很大的问题,这个定义的函数会污染名称空间,而且不同的lambda*会覆盖掉this,因为define是在全局中定义的。在Common Lisp中,可以通过定义仅在函数内部可见的嵌套函数来解决:
(defmacro re-lambda (&rest body) `(lambda (&rest args) (labels (,(cons 'this body)) (apply #'this args))))
但是在NewLisp中,我没有找到如何定义仅在函数内部可见的嵌套函数,所以还需要通过其他的办法才能解决。
于是我想到了自动生成函数名的方式,NewLisp有一个函数(time-of-day),返回一个以较为精确的时间戳:
> (time-of-day) 66359119.140 > (time-of-day) 66359415.039
这样我们可以在扩展宏时自动生成一个函数名,以避免冲突:
(define-macro (lambda* _args) (let ((f (string "$."(time-of-day)))) ;生成一个随时间变化的函数名 (eval (list 'define (cons (sym f) (flat _args)) (list 'let (list (list 'this (sym f))) ; this指向这个函数 (cons 'begin $args))))))
于是当用lambda*定义时,会自动生成一个每个时刻都不同的名称,比如$.66789291.992、$.66922513.671,几乎不会有重复。
但是这样依然不行,因为只是避免的名称冲突,但还是会污染名称空间,而且在某些情况下依然会造成难以预料的问题。所以在最后,设计了一个终极版本的lambda*,没有任何负面作用。
(define-macro (lambda* _args) (letex ((fargs _args) (fbody (cons 'begin $args)) (fcall (cons 'this (flat _args)))) (lambda fargs (let ((this (lambda fargs fbody))) fcall))))
通过在扩展宏时,在lambda内部在定义一个lambda作为主体函数,使用let将局部变量this指向这个主体函数,于是就可以通过this来模拟调用自身了,函数不需要有名字,而只有一个指向函数的局部变量this,效果非常好:
; 阶乘函数 (lambda* (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1))))) ; 宏展开后如下=> (lambda (n) (let ((this (lambda (n) (begin (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1)))))))) (this n)))
一段测试结果:
> ((lambda* (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1))))) 1) 1 > ((lambda* (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1))))) 2) 2 > ((lambda* (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1))))) 3) 6 > ((lambda* (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1))))) 4) 24 > ((lambda* (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1))))) 5) 120 > ((lambda* (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1))))) 20) 2432902008176640000 > this nil > (setf this 100) 100 > ((lambda* (n) (if (< n 2) 1 (* n (this (- n 1))))) 10) 3628800 > this 100
* 勿轻易尝试Lisp的宏,更不要轻易尝试NewLisp的宏,前者你会受伤,后者你能体会到和查C++模板错误一样的过程,甚至更加爆炸。
用农业界的一个术语来说:就像一颗原子弹。