这是 S 表达式的夏天！

简介

大家好！希望大家一切都好。

Exercism 最近几周真的非常激动人心：我们推出了 Exercism Premium 和 Exercism Insiders。我们还举办了几场很棒的社区线上会议，网站上也有许多改进已经上线，还有更多即将推出。眼下值得期待的事情很多，但最令人兴奋的，莫过于我们进入了 #12in23 的第 6 个月！也就是 S-表达式的夏天，更顺口的简称就是 Summer of Sexps。

和往常一样，编程界的智者 Erik 也和我一起。

这个月我们有五门语言：Clojure、Common Lisp、Emacs Lisp、Racket 和 Scheme。它们都是 Lisp 语言的方言，所以在这个视频里，我们不会太侧重逐个讲这些语言，而是多花点时间看看 Lisp 本身，以及它独特在哪里。最后我们再简要过一遍这几种语言。

不过在开始之前，先交代几件事！要获得 Summer of Sexps 徽章，你需要在六月期间用其中任意一门语言完成任意五道练习。

徽章

还有一个贯穿全年的 12in23 徽章。要拿到它，你需要用这门语言解答五道精选练习。如果你是在六月之后看到这个视频，这一部分在年内任何时候都可以做，所以你没有错过。考虑到很多人从未接触过 Lisp，我们尽量挑选了相对简单的练习，让你尝一尝 Lisp 语言的味道。

• 闰年： 处理布尔条件和真值性（可选地还有词法作用域）
• 一赠一： 格式化字符串，并处理一个可选参数
• 平方差： 调用自定义函数，用前缀记法做数学运算
• 机器人名： 处理随机性、原子和结构化数据
• 括号匹配： 用递归验证字符串

这些练习以及前几个月的练习，都可以在 #12in23 页面上找到。

概览

那么，说回基于 Lisp 的语言。我想我们得先稍微了解一下 Lisp。先来对 Lisp 做个简单的总体介绍吧。

Lisp

• 首先要注意的是，Lisp 是最古老的语言之一。
• 它由 John McCarthy 于 1958 年在 MIT 创造，那时计算机还能从上到下占满整个房间 🙂
• Lisp 这个名字代表 LISt Processing（列表处理），或者 LISt Processor（列表处理器），凸显了列表这种数据结构的重要性。
• 它最初是为人工智能研究而设计的。
• Lisp 基于 lambda 演算，它由 Alonzo Church 提出，是一种在数学中描述计算的形式系统（简化版）。
• 它是一门影响极为深远的语言，原因有很多：
• 它是至今仍被广泛使用的高级编程语言中第二古老的（仅次于 Fortran）
• 它是第一种高级函数式编程语言，如今我们与函数式编程联系起来的许多特性，都是由它引入的。
• 注意，Lisp 仍然支持命令式编程
• 它是第一种带有垃圾回收器的语言，让作者不必再手动管理内存
• 它语法相对较少、语义相对简单，因此非常适合教学。
• 因此，Lisp（更准确地说，是它的某个方言）常被用来教授编程
• 它衍生出了（而且仍在衍生！）大量语言方言（我们会讨论其中 Exercism 支持的那些）。
• 换句话说，在编程语言这棵树上，Lisp 系语言自成一个分支（就像 C 系语言也有一个分支一样）。

最近我和 Haskell 的创造者之一 Simon Peyton Jones 聊天时，他谈到了围绕图灵机构建的语言与围绕 lambda 演算构建的语言之间的差异。如果你想了解更多，值得去看一看那次访谈。

括号

Lisp 里有很多括号，但这未必是坏事（就像在 C 系语言里有大量大括号也未必是坏事一样）。 Lisp 围绕一种叫做 S-表达式的东西构建。 S-表达式（symbolic expression 的简称，缩写为 sexpr 或 sexp，这也是本月挑战名字的由来）是一种用来表示数据的表达式。它最初是为最初的 Lisp 语言发明的，并由 Lisp 推广开来。 S-表达式可以有两种形式：

• 原子（例如 'x'）。可以把它们看作非嵌套的“值”，或者树中的叶子
• 表达式 x . y，其中 x 和 y 都是 S-表达式。可以把它们看作数对，其中 y 是列表中的下一个元素（如果有的话），或者树中的节点。注意这是一个递归定义，在叶子层终止。通常，这种 S-表达式用括号表示。

S-表达式

在 Lisp 中，S-表达式既用来表示数据，也用来表示列表。 因此，每当你定义一个列表，都会用到括号。 再加上： 列表是 Lisp 的核心数据结构（名字就是这么来的）， 在某些 Lisp 里它还是唯一的数据结构， 结果就是你会看到一大堆括号。 为了说明列表有多核心：如果你想在 Lisp 里调用一个函数，做法就是创建一个列表。

有意思的是，列表的第一个元素（也就是头部）代表被调用的函数，其余元素（也就是尾部）作为实参传入。 这叫做前缀记法（运算符位于操作数之前），一开始可能有点怪，但其实非常有用：

• 你可以把运算符作用于多个实参，而无需重复写运算符（例如 (+ 1 2 3)）
• 运算符的优先级变得明确，因为要调用不同的运算符，你反正都得新建一个 S-表达式

有趣的是，列表甚至被用来表示源代码，不过这个我们稍后再讲。

总的来说，大多数 Lisp 语法都非常精简，语义也相对简单，因此相对容易学习，理解代码也变得更容易。 精简的语法并没有让它们变得更弱！ 把这两点结合起来（精简的语法 + 简单的语义），Lisp 就成了编写编译器和解释器的理想选择。 如果你曾想自己写一个编译器，用 Lisp 来练手是个不错的选择！

Lisp 的酷炫特性

前面提到过，Lisp 在内部用相同的数据类型和数据结构来表示代码。 这个性质叫做同像性（homoiconicity，也叫同像的）。 换句话说，如果一门语言写的程序可以用这门语言当作数据来操作，那么它就是同像的，程序的内部表示只需读程序本身就能推断出来。 这个性质常被概括为：这门语言把代码当作数据。

各种语言

Scheme

• 由 Guy Steele 和 Gerald Sussman 于 20 世纪 70 年代在 MIT 人工智能实验室创造。
• 最初是为了通过一个极小的 Lisp 解释器来理解 Carl Hewitt 的 Actor 模型。
• 这门语言本身是在一系列人工智能研究备忘录（AI Memos）中提出的，这些备忘录后来被统称为 Lambda 论文（Lambda Papers）。
• 第一个使用词法作用域的 Lisp 方言（值只在其定义所在的作用域内可见），也是最早支持一等续延的语言之一。
• 有官方的 IEEE 标准，还有一个事实上的标准，叫做《算法语言 Scheme 修订报告》（Revised Report on the Algorithmic Language Scheme，RnRS）。
• 实现很多：ChezScheme、Guile（这两个 Exercism 都支持）、MIT/GNU Scheme 和 Racket
• 语言非常精简，语法很少，但这并非有意为之。
• 作者本想构建一个复杂的东西，最终却设计出了比预想简单得多的东西
• 正规尾递归。做迭代的惯用方式是通过递归。
• Scheme 会优化尾递归调用，使其不消耗栈空间或其他资源。这意味着递归可以用于任意大的数据，或任意长的计算。
• 强大的数值类型，包括有理数和复数
• 延迟求值，有点像 promise。
• 强大的宏系统。
• 卫生宏能降低定义宏时出现意外结果的可能性。

Common Lisp

• Common Lisp 的工作始于 1981 年，由 ARPA 主管 Bob Engelmore 发起，目的是开发一个单一的社区标准 Lisp 方言，因为当时使用的各种方言常常互不兼容，导致代码和知识无法共享
• 第一个标准于 1984 年发布，最终版本于 1994 年发布（规范非常稳定）
• 由于它是一份标准，所以有各种不同的实现，例如 Steel Bank Common Lisp（Exercism 的默认实现）和 CLisp。
• 也有商业实现，例如 Allegro CL 和 LispWorks，还有可以嵌入 C 程序的 ECL（Embeddable Common Lisp），以及在 Java 虚拟机上运行的 ABCL。
• 由标准定义（ANSI INCITS 226-1994），所以 30 年前写的代码今天仍能正常运行
• 丰富且可扩展的类型系统
• 为镜像（image）和 REPL 开发而设计，因此非常便于内省。

Emacs Lisp

• 于 1985 年开发，目的是拥有一门高效的语言来扩展文本编辑器
• 动态类型
• Emacs 约 80% 是用 Emacs Lisp 写的（出于性能考虑，20% 用 C）
• 和其他 Lisp 有点不同：
• 没有标准化，仍在缓慢演进
• 没有自动的尾调用消除，可通过 named-let 宏支持（会转换成 while 循环）
• 默认使用动态作用域，建议新代码使用词法作用域
• 编辑器内置了不错的文档
• 多平台（凡是有 Emacs 的地方都能运行）
• 通过阅读你每天使用的功能的代码来学习这门语言（Emacs 核心 + 各种包）
• 通过 cl-lib 包可以使用 Common Lisp 的一个子集。Emacs Lisp 相当精简，而 Common Lisp 的功能则丰富得多。cl-lib 包让 Common Lisp 的一个子集变得可用。

Racket

• Matthias Felleisen 创办了 PLT Inc.，该公司于 1995 年 1 月决定开发一个基于 Scheme 的教学编程环境。它最初叫 PLT Scheme，后来更名为 Racket。
• 除了是教学编程环境，它还被设计成编程语言设计与实现的平台。
• 现代的 LISP，Scheme 的后裔
• 支持逻辑编程！
• 语法简单而富有表现力，既适合初学者，在专家手中又很强大
• 支持多种编程范式：函数式编程、面向对象编程、契约式设计、逻辑编程、元编程
• 全面的标准库
• 附带 DrRacket，一个完整的 IDE，专为学习和探索而设计，尽量少给你添麻烦
• 出色的文档，包含大量背景信息和示例

Clojure

• 由 Rich Hickey 开发，目标是拥有一门运行在 JVM 上、并发能力出色的现代 LISP
• 它是 LISP 的方言，但和其他 LISP 也有些不同：它不支持隐式尾递归（不知道这是什么也没关系），而且除了列表之外还有更多数据结构：映射、集合、向量。这些数据结构都有自己的字面量语法。
• 它们还都是不可变的，但性能依然很好，查找复杂度为 O(log32 n)，可以说是“近似”常数时间
• 通过多重方法和协议实现运行时多态
• 与 JVM 的互操作很好
• Clojure Spec 数据规范系统（运行时，而非编译期），允许你定义数据结构、生成数据、进行基于属性的测试等等

使用场景

Scheme

• 用于教育，帮助教授计算机科学（颇具影响力的《计算机程序的构造和解释》就使用了 Scheme）。
• 用于人工智能。也用作脚本语言，例如在 GIMP（图形编辑器）、CAD 工具（计算机辅助设计）中，甚至电影里，比如《最终幻想：灵魂深处》的渲染引擎管理脚本。

Common Lisp

• Common Lisp 被用在很多地方，例如人工智能和研究，也有商业应用：NASA 用 Common Lisp 为“深空一号”探测器编写了自动驾驶软件；Viaweb 是用 Common Lisp 写的，后来被 Yahoo 收购并改名为 Yahoo Store!；还有第一版的 Reddit。

Emacs Lisp

• Emacs Lisp 用在，嗯，Emacs 里！
• 从本质上讲，Emacs 是 Emacs Lisp 的解释器，Emacs Lisp 是 Lisp 编程语言的一个方言，但增加了支持文本编辑的扩展。

Racket

• 用于教育，因为 Racket 的设计重点就是支持语言的创建、简化和分析。
• 用于研究，因为它可扩展的语法和语义适合设计和原型化新的语言及语言特性。
• 用于游戏，例如 John Carmack（《毁灭战士》的作者）在 VR 的交互式脚本环境中使用了它，开发商 Naughty Dog 也用它来做脚本（例如在《神秘海域》中）。Hacker News 是用 Arc 写的，Arc 也是一门 Lisp，而它本身是用 Racket 写的。

Clojure

• Clojure 用于许多不同的领域，例如 Docker 在 2022 年收购了 Atomist，后者是一个用 Clojure 实现的容器安全和自动化平台。
• 世界上最大的 Clojure 用户是 Nubank，一家新型银行，它在几年前进行了相关收购，如今还聘用了 Clojure 核心团队。
• 它被大量用于快速原型开发，因为它动态且高度交互。

编程视角

所有语言都支持函数式、命令式和符号式范式。 其中一些还支持面向对象编程，尤其是 Common Lisp。

Lisp 大多是动态语言，不过 Racket 支持静态类型。

这并不意味着它们全都是解释型的，因为情况是混合的：有解释执行（没有任何编译步骤）、编译成字节码再解释执行，以及直接编译成机器码这几种。

Scheme

• 极简，语义清晰简单，构成表达式的方式很少。
• 便于学习这门语言、理解代码。
• 正因如此，Scheme 也常被用于许多计算机科学入门课程
• 一等续延。
• 续延是程序状态的一种表示。
• 续延可以用来对控制流建模（例如 return 结构），也可以用来实现协程（允许多任务）。

Common Lisp

• 可扩展的面向对象系统，带有可编程的方法组合（既包括子类/超类方法如何组合，也包括 before、after 和 around 方法，从而可以让系统在不修改自身的情况下得到扩展）
• 可编程的条件系统（是“异常”的超集），它能把条件的识别与处理方式的选择解耦。条件系统比异常系统更灵活，因为它不是把职责分成两部分（发出错误的代码和处理它的代码），而是把职责分成三部分：发出条件、处理条件、重启。
• 宏可以扩展语言的语法，而不只是生成样板代码。这有助于你打造一门贴合业务领域的语言，而不是反过来。

Emacs Lisp

• 出色的编辑器支持和集成
• 可以在 Emacs 运行时定制它（“就像给自己做脑部手术” :)）
• 可以用于批处理模式，此时编辑器的文本处理能力你都可以使用（例如缓冲区和移动命令）

Racket

• 强大的宏系统。像线程宏这样的语法糖就建立在此之上。宏还是卫生的，这是对一个简单问题的回答：宏生成的代码会被放到别的地方。当这些代码被求值时，我们该如何确定其中标识符的绑定？卫生宏能降低定义宏时出现意外结果的可能性。
• 面向语言。
• Racket 自带编写你自己的编程语言或 DSL 的工具，这些都建立在 Racket 的宏之上。
• 内置了多种语言，例如 typed Racket（支持静态检查的类型标注）、datalog（一种类似 Prolog 的语言，DrRacket IDE 支持它），以及 scribble，一个用于创建 HTML 或 PDF 格式文档的工具。
• REPL 是开发工作流的核心部分，不只是用来试东西、查文档

Clojure

• 强大的宏系统。
• 像线程宏这样的语法糖就建立在此之上
• REPL 是开发工作流的核心部分，不只是用来试东西、查文档

该试哪一个

• 如果你从未尝试过 Lisp，Scheme 和 Racket 是不错的选择，因为它们的语法都非常精简。
• 话虽如此，Common Lisp 和 Clojure 都有学习模式，所以它们大概是 Exercism 上最适合入门学习的。
• 如果你已经在用 Emacs，Emacs Lisp 是自然而然的选择。
• 同样，如果你在用 JVM 语言，Clojure 也是自然而然的选择。
• Emacs Lisp（通过 Emacs）、Clojure（通过 IntelliJ）和 Racket（通过 DrRacket）都有出色的 IDE 支持。
• 当然，Common Lisp 和 Scheme 也有不错的 IDE。
• 如果你想要一个功能非常齐全的 Lisp，Common Lisp、Clojure 和 Racket 都非常丰富
• 如果你想要一个有点不一样的 Lisp，Clojure 有一些对 Lisp 而言相当独特的语法。
• 如果你对宏和元编程感兴趣，它们基本上都是不错的选择！但如果你想构建新语言，Racket 尤其出色

当然，如果你有时间，我建议你试上几种！ 还有，不要害怕那些括号！我知道我以前就怕，所以我把学 Lisp 拖了很久。 不过你很快就会习惯它们，说不定还会像我一样开始欣赏它们。 事实上，我现在很喜欢 Lisp 系语言：语法精简，语义简单，却依然极富表现力。