Summer of Sexps 來了！

簡介

嗨，大家好！希望大家一切都好。

Exercism 最近幾週真的非常精彩，我們推出了 Exercism Premium 和 Exercism Insiders。我們也辦了幾場很棒的社群線上會議，網站上有很多改進已經上線，還有更多即將推出。現在有很多值得興奮的事，但最令人興奮的，莫過於我們要邁入 #12in23 的第 6 個月了！也就是「S 表達式之夏」，說得順口一點就是「Sexps 之夏」。

一如往常，和我一起的是程式世界的智者 Erik。

這個月我們有五種語言：Clojure、Common Lisp、Emacs Lisp、Racket 和 Scheme。這些語言都是 Lisp 的方言，所以這支影片不會太深入個別語言，我們會多花點時間談談 Lisp 本身，以及它獨特的地方。最後再簡單介紹一下這幾種語言。

不過在那之前，先來說些例行事項！想拿到「Sexps 之夏」徽章，你必須在六月期間，完成其中任一種語言裡的任意五個練習。

徽章

另外還有貫穿整年的 12in23 徽章。想拿到它，你需要在同一種語言裡解完五個精選練習。如果你是六月之後才看到這支影片，這部分在整年任何時候都能完成，所以不用擔心錯過。因為很多人可能從沒碰過 Lisp，我們盡量挑選比較簡單的練習，讓你嘗嘗 Lisp 語言是什麼滋味。

• **閏年：**練習布林條件與真值判斷（也可以再加上詞法作用域）
• **買一送一：**格式化字串，並練習使用選擇性參數
• **平方差：**呼叫自訂函式，並用前綴表示法做數學運算
• **機器人名稱：**處理隨機性、原子和結構化資料
• **括號配對：**用遞迴驗證字串

這些練習以及前幾個月的練習，都可以在 #12in23 頁面上找到。

概觀

那麼，來談談以 Lisp 為基礎的語言吧。我想，我們應該先稍微了解 Lisp 本身。就先從 Lisp 的整體介紹開始。

Lisp

• 首先要注意的是，Lisp 是最古老的語言之一。

• 它由 John McCarthy 於 1958 年在 MIT 創造，那時候電腦還會從頭到腳占滿整個房間 🙂

• Lisp 這個名字代表 LISt Processing（也就是 LISt Processor），突顯了陣列這種資料結構的重要性。

• 它的設計目的是為了進行 AI 研究。

• Lisp 以 Lambda 演算為基礎，那是 Alonzo Church 發明的形式系統，用來（簡化地來說）描述數學中的計算。

• 它是一門極具影響力的語言，原因有很多：

• 它是目前仍廣泛使用的第二古老高階程式語言（僅次於 Fortran）

• 它是第一個高階函數式程式語言，並引入了許多我們現在會和函數式程式設計聯想在一起的特性。

• 不過要注意，Lisp 仍然支援命令式程式設計

• 它是第一個內建垃圾回收的語言，讓開發者不必自己手動管理記憶體

• 它的語法相對精簡，語意也相對單純，因此非常適合用來教學。

• 所以 Lisp（更精確地說，是它的某個方言）經常被用來教程式設計

• 它衍生出（而且還在持續衍生！）非常多語言方言，我們接下來會談談 Exercism 上有支援的那些。

• 換句話說，在程式語言的樹狀圖裡，Lisp 這類語言自成一枝，就像 C 這類語言也自成一枝一樣。

我最近和 Haskell 的創造者之一 Simon Peyton Jones 聊過，他談到以圖靈機為基礎的語言，和以 Lambda 演算為基礎的語言之間的差異。如果你想多了解這方面，很值得去看看那場訪談。

括號

Lisp 裡有很多括號，但這不一定是壞事（就像 C 這類語言裡有很多大括號，也不見得是壞事一樣）。 Lisp 的核心圍繞著一種叫做 S 表達式的東西。 S 表達式（symbolic expression 的簡稱，縮寫為 sexpr 或 sexp，這也是本月挑戰名稱的由來）是一種用來表示資料的運算式。它是為了最初的 Lisp 語言而發明，並由 Lisp 發揚光大。 S 表達式有兩種形式：

• 原子（例如 x）。可以把它們想成不巢狀的「值」，或是樹狀結構裡的葉節點
• 形式為 x . y 的運算式，其中 x 和 y 都是 S 表達式。可以把它們想成配對，y 是陣列中的下一個元素（如果有的話），或是樹狀結構裡的節點。注意這是遞迴定義，會在葉節點那一層結束。這種 S 表達式通常會用括號來表示。

S 表達式

S 表達式在 Lisp 裡同時用來表示資料和陣列。 所以每次你定義一個陣列，都會用到括號。 再加上以下幾點： 陣列是 Lisp 的核心資料結構（名字就是這麼來的）， 在某些 Lisp 方言裡，它甚至是唯一的資料結構， 結果就是括號多到不行。 要說明陣列有多核心，看看這個例子：在 Lisp 裡想呼叫一個函式，你得建立一個陣列。

有趣的是，陣列的第一個元素（也就是 head）代表被呼叫的函式，其餘元素（也就是 tail）則當作引數傳進去。 這叫做前綴表示法（運算子寫在運算元前面），一開始可能會覺得有點怪，但其實非常實用：

• 你可以把運算子套用到多個引數上，不必重複寫出運算子（例如 (+ 1 2 3)）
• 運算子的優先順序變得明確，因為要呼叫不同的運算子，本來就得另外寫一個 S 表達式

有趣的是，陣列甚至可以用來表示原始碼，這點我們待會再回來談。

一般來說，多數 Lisp 方言的語法相當精簡，語意也相對單純，因此比較容易學習，程式碼也更容易理解。 語法精簡並不代表功能就比較弱！ 這兩件事加起來（精簡的語法 + 單純的語意），讓 Lisp 很適合用來寫編譯器和翻譯員。 如果你哪天想自己寫一個編譯器，動手做一個 Lisp 是個不錯的選擇！

Lisp 的酷功能

前面提過，Lisp 在內部用相同的資料型態和資料結構來表示程式碼。 這種特性叫做同像性。 換句話說，如果一門語言寫出的程式可以用該語言當成資料來操作，因而只要閱讀程式本身就能推斷它的內部表示，那麼這門語言就具有同像性。 這個特性常被濃縮成一句話：這種語言把程式碼當成資料看待。

語言

Scheme

• 由 Guy Steele 和 Gerald Sussman 於 1970 年代在 MIT AI Lab 創造。
• 最初是為了透過一個極小的 Lisp 翻譯員來理解 Carl Hewitt 的 Actor 模型。
• 這門語言本身是在一系列 AI Memo 研究文件中發表的，這些文件後來統稱為 Lambda Papers。
• 第一個採用詞法作用域的 Lisp 方言（值只在自己被定義的作用域裡有效），也是最早支援一級續延的語言之一。
• 有官方的 IEEE 標準，也有一套實質標準，叫做《Revised Report on the Algorithmic Language Scheme》（RnRS）。
• 實作很多：ChezScheme、Guile（兩者 Exercism 都有支援）、MIT/GNU Scheme 和 Racket
• 語言極度精簡、語法很少，但這並非刻意設計的結果。
• 作者們原本想做出複雜的東西，最後卻設計出比他們預期簡單得多的語言
• 具備正規的尾端遞迴。用遞迴來做疊代，是最道地的寫法。
• Scheme 會最佳化尾端遞迴呼叫，讓它不佔用堆疊空間或其他資源。這表示遞迴可以用在任意大的資料，或任意長的計算上
• 強大的數值資料型態，包括有理數和複數
• 延遲求值，概念類似 promise。
• 強大的巨集系統。
• 衛生巨集能降低定義巨集時出現非預期結果的可能性。

Common Lisp

• Common Lisp 的開發始於 1981 年，由 ARPA 的主管 Bob Engelmore 發起，目標是制定單一的社群標準 Lisp 方言，因為當時使用的各種方言往往彼此不相容，導致程式碼與知識無法共享
• 第一版標準於 1984 年發布，最終版則在 1994 年發布（規格非常穩定）
• 由於是一套標準，因此有各種不同的實作，例如 Steel Bank Common Lisp（Exercism 的預設實作）和 CLisp。
• 也有商業實作，例如 Allegro CL 和 LispWorks，另外還有可以嵌入 C 程式的 ECL（Embeddable Common Lisp），以及執行在 Java 虛擬機器上的 ABCL。
• 由標準定義（ANSI INCITS 226-1994），所以 30 年前寫的程式碼今天執行起來依然沒問題
• 豐富且可擴充的型別系統
• 為 image 和 REPL 開發而設計，因此非常容易內省。

Emacs Lisp

• 開發於 1985 年，目的是要有一門高效率的語言來擴充文字編輯器
• 動態型別
• Emacs 大約 80% 是用 Emacs Lisp 寫的（另外 20% 為了效能而用 C 寫）
• 和其他 Lisp 有點不同：
• 沒有標準化，仍在緩慢演進
• 沒有自動的尾端呼叫消除，改透過 named-let 巨集支援（會轉換成 while 迴圈）
• 預設是動態作用域，新寫的程式碼則建議採用詞法作用域
• 編輯器內建良好的說明文件
• 跨平台（只要 Emacs 能跑的地方就能跑）
• 可以透過閱讀你每天使用功能的程式碼來學這門語言（Emacs 核心 + 各種套件）
• 透過 cl-lib 套件可以使用一部分的 Common Lisp。Emacs Lisp 相當精簡，Common Lisp 的功能則完整得多，cl-lib 套件就是把 CL 的一部分帶進來。

Racket

• Matthias Felleisen 創立了 PLT Inc.，該公司在 1995 年 1 月決定開發一套以 Scheme 為基礎的教學用程式設計環境。最初名為 PLT Scheme，後來改名為 Racket。
• 除了是教學用的程式設計環境，它也被設計成程式語言設計與實作的平台。
• 現代化的 LISP，Scheme 的後裔
• 支援邏輯程式設計！
• 語法簡單、表達力強，既適合初學者，在專家手裡也威力十足
• 支援多種程式設計範式：函數式程式設計、物件導向程式設計、契約式設計、邏輯程式設計、超程式設計
• 完整的標準函式庫
• 內建 DrRacket，這是一套完整的 IDE，專為學習與探索而設計，用起來幾乎不費力
• 說明文件非常優秀，有大量背景知識和範例

Clojure

• 由 Rich Hickey 開發，目標是打造一門能在 JVM 上執行、並具備優異並行能力的現代 LISP
• 是 LISP 的方言，但和其他 LISP 有些不同：它不支援隱含的尾端遞迴（不知道這是什麼也別擔心），而且資料結構不只陣列，還有 map、set、vector。這些資料結構都有各自的字面語法。
• 它們也全都是不可變的，但查詢效能依然很好，O(log32 n) 的查找可說是「實質上」的常數時間
• 透過 multimethod 和 protocol 實現執行期多型
• 與 JVM 的互通性極佳
• Clojure Spec 資料規格系統（屬於執行期，而非編譯期），讓你可以定義資料的結構、產生資料、進行基於屬性的測試等等

應用場景

Scheme

• 用於教育，協助教授資訊科學（極具影響力的《Structure and Interpretation of Computer Programs》就是用 Scheme）。
• 用於 AI。也當作腳本語言使用，例如在 GIMP（圖形編輯器）、CAD 工具（電腦輔助設計）中，甚至用在電影上，例如《Final Fantasy: The Spirit Within》的算繪引擎管理腳本

Common Lisp

• Common Lisp 的應用範圍很廣，例如人工智慧與研究領域，也有商業應用：NASA 用 Common Lisp 寫了 Deep Space One 太空船的自動駕駛軟體，Viaweb 也是用 Common Lisp 寫的，後來被 Yahoo 收購並更名為 Yahoo Store!，另外還有第一版的 Reddit

Emacs Lisp

• Emacs Lisp 用在哪裡呢？就用在 Emacs 裡！
• 基本上，Emacs 就是 Emacs Lisp 的翻譯員。Emacs Lisp 是 Lisp 程式語言的方言，但額外加入了支援文字編輯的擴充功能

Racket

• 用於教育，因為 Racket 的設計重點就是支援語言的建立、簡化與分析。
• 用於研究，因為它可擴充的語法與語意，適合用來設計新語言與語言功能，並製作原型。
• 用於遊戲，例如以《Doom》聞名的 John Carmack 用它打造 VR 的互動式腳本環境，開發商 Naughty Dog 也用它來寫腳本（例如《Uncharted》）。Hacker News 是用 Arc 寫的，Arc 也是 Lisp，而它本身則是用 Racket 寫的。

Clojure

• Clojure 的用途很多，例如 Docker 在 2022 年收購了 Atomist，那是一套用 Clojure 實作的容器安全與自動化平台。
• 全球最大的 Clojure 使用者是 Nubank，這家新興銀行幾年前收購了它，現在還雇用整個 Clojure 核心團隊。
• 由於它動態且互動性高，因此大量用於快速製作原型。

程式設計的角度

這些語言都支援函數式、命令式和符號式範式。 其中有些也支援 OOP，最著名的是 Common Lisp。

Lisp 大多是動態語言，不過 Racket 支援靜態型別。

這不代表它們全都是靠翻譯員執行的，實際上是混搭的：有的直接由翻譯員執行（完全不經過編譯步驟），有的是先編譯成位元組碼再交給翻譯員執行，也有直接編譯成機器碼的選項。

Scheme

• 極簡，語意清楚單純，組成運算式的方式很少。
• 讓語言容易學習、程式碼容易理解。
• 因此，Scheme 也常被用在許多資訊科學的入門課程中
• 一級續延。
• 續延是程式狀態的一種表示。
• 續延可以用來模型化控制流程（例如 return 這樣的結構），或是協程（讓程式能進行多工）

Common Lisp

• 可擴充的物件導向系統，具備可程式化的方法組合（既包含子類別與父類別方法的組合方式，也包含 before、after 和 around 方法，讓系統能在不需修改的情況下被擴充）
• 可程式化的條件系統（可說是「例外」的超集），能把條件的辨識與處理方式的選擇解耦。條件系統比例外系統更有彈性，因為它不把責任分成兩半，也就是發出錯誤1的程式碼和處理它2的程式碼，而是拆成三個部分：發出條件、處理條件，以及重新啟動。
• 巨集可以擴充語言的語法，不只是產生樣板程式碼。這能幫助你打造適合特定領域的語言，而不是反過來遷就語言。

Emacs Lisp

• 編輯器支援與整合非常好
• 可以在 Emacs 執行中自訂 Emacs（「就像替自己做腦部手術」:)）
• 可以用批次模式執行，在這種模式下，編輯器處理文字的能力全都任你使用（例如 buffer 和移動指令）

Racket

• 強大的巨集系統，像 threading 巨集這類語法糖就建立在這之上。巨集也具備衛生性，這正好回答了一個簡單的問題：巨集產生出來的程式碼會放到別的地方，當那些程式碼被求值時，我們該如何決定其中識別字的綁定？衛生巨集能降低定義巨集時出現非預期結果的可能性。
• 以語言為導向。
• Racket 內建各種工具，讓你可以在 Racket 巨集之上，寫出自己的程式語言或 DSL。
• 內建多種語言，例如 Typed Racket（支援靜態檢查的型別標註）、datalog（類似 Prolog 的語言，DrRacket IDE 有支援），以及 Scribble，一套用來建立 HTML 或 PDF 形式文件的工具
• REPL 是開發工作流程的核心，不只是拿來試東西或查文件用的

Clojure

• 強大的巨集系統。
• 像 threading 巨集這類語法糖就建立在這之上
• REPL 是開發工作流程的核心，不只是拿來試東西或查文件用的

該試哪一種

• 如果你從沒碰過 Lisp，Scheme 和 Racket 是很好的選擇，兩者的語法都非常精簡。
• 話說回來，Common Lisp 和 Clojure 都有學習模式，所以在 Exercism 上大概是最適合入門的選擇。
• 如果你本來就在用 Emacs，Emacs Lisp 自然是首選。
• 同樣地，如果你用的是 JVM 語言，Clojure 是很自然的選擇。
• Emacs Lisp（透過 Emacs）、Clojure（透過 IntelliJ）和 Racket（透過 DrRacket）都有很棒的 IDE 支援。
• 當然，Common Lisp 和 Scheme 也都有不錯的 IDE。
• 如果你想要功能非常完整的 Lisp，Common Lisp、Clojure 和 Racket 都相當豐富
• 如果你想要有點不一樣的 Lisp，Clojure 有一套對 Lisp 來說相當獨特的語法。
• 如果你對巨集和超程式設計有興趣，基本上它們都是好選擇！但如果你想打造新語言，Racket 尤其出色

當然，如果你有時間，我會建議你挑兩三種試試看！ 另外，別害怕括號！我以前也很怕，所以才會拖了好久才學 Lisp。 不過你很快就會習慣它們，說不定還會像我一樣開始欣賞它們喔。 事實上，我現在很喜歡 Lisp 這類語言：語法精簡、語意單純，卻又非常有表達力。