2011年九月月 发布的文章

C程序员驯服Common Lisp – 控制结构

光有表达式,我们依旧无法写出实用的程序,我们还缺少控制结构(Control Structures)。

C语言主要有三种控制结构:顺序结构、条件分支结构和循环结构。Common Lisp
也实现了类似的控制结构,我们逐一来看。

一、顺序结构
顾名思义,顺序结构中的语句或表达式是按其位置的先后顺序依次执行的,这也是最简单也最容易理解的一种结构。在C语言中,绝大多数代码块(code block)中的代码都是顺序结构的。Common Lisp程序由S-expressions组成,其本质上的执行过程为自左向右的求值过程。不过Common Lisp的代码编排风格会让给大家一种错觉:Common Lisp似乎也是顺序执行的,例如:

;;以下是来自于《Practical Common Lisp》书中的一段代码
(defun prompt-for-cd ()
  (make-cd
     (prompt-read "Title")   
     (prompt-read "Artist")
     (or (parse-integer (prompt-read "Rating") :junk-allowed t) 0)
     (y-or-n-p "Ripped [y/n]: ")))

Common Lisp确实提供了一个Special operator – progn(注意progn不是函数),可用于在一个代码块中真正顺序地执行一组表达式。其语法形式如下:
(progn
    (form-1)
    (form-2)
    .
    .
    .
    (form-N))

Common Lisp会顺序地执行form-1,form-2,…. form-N,并将最后一个表达式form-N的求值结果作为progn的返回值,例如:
[1]> (progn
        (print "hello world")
        (print "hello lisp")
        (print "hello graham"))
"hello world"
"hello lisp"
"hello graham"
"hello graham"

最后的"hello gramham"即为progn的返回值,并被顶层环境再次输出。progn的行为让我想起了C语言中的逗号表达式"expr1, expr2, … , exprn",与progn一样,逗号表达式也是依次执行expr1,expr2,…,并返回最后一个expression的值。

二、条件分支结构
C语言中最常见的条件分支结构莫过于if语句了。if语句是一个典型的开关结构或叫二选一结构,即if后面的条件成立,执行一个分支;否则执行另外一个分支。其典型结构如下:
if (cond expr) {
    … …
} else if (cond expr) {
    … …
} else if (cond expr) {
    … …
} else {
    … …
}

Common Lisp中也有if。与progn一样,Common Lisp中的if也是一个special operator而不是函数。函数的原则是必须对所有参数都进行求值,且对每个参数仅进行一次求值;而if和progn则不一定需要对所有"参数"进行求值。Common Lisp中if的语法形式如下:
(if cond-form
    then-form
    [else-form])

Common Lisp中的if首先对cond-form进行求值,如果为真,则对then-form求值,并将结果返回;否则返回else-form的求值结果。如果没有else-form分支,则返回nil。这与C语言中的条件表达式:"condition_expression ? then_expression : else_expression"甚为相似。下面是一个例子:

[1]> (if (> 3 2) (+ 4 5) (- 11 3))
9
[2]> (if (< 3 2) (+ 4 5) (- 11 3))
8
[3]> (if (< 3 2) (+ 4 5))
NIL
[4]> (if (= 2 2)  ;; if级联示例
        (if (> 3 2) 4 6)
        9)
4

除了if,Common Lisp还提供了其他一些简便实用的条件分支控制operator。

我们常常会在某个条件分支中顺序地执行多个表达式,这种情况下,我们用if实现的代码如下:
(if (cond-form)
    (progn
        (form1)
        (form2)
        (form3)))

Common Lisp提供了操作符when来应对如此需求,并简化你的代码:
(when (cond-form)
        (form1)
        (form2)
        (form3))

当cond-form求值为真时,when会顺序从form1执行到form3。

Common Lisp还提供了unless,用于否定语义的判断:
(unless (cond-form)
        (form1)
        (form2)
        (form3))

仅当cond-form求值为nil时,form1到form3才会被顺序执行,否则返回nil。

我们日常还会遇到条件分支特别多的情况,如:
if (cond-1)
    statments-1
if (cond-2)
    statments-2
… …
if (cond-n)
    statments-n

此时如果用if来实现,代码就显得层次太深,不够简洁,可读性不好,也难于后续维护:
(if (cond-1)
    (statments-1)
    (if (cond-2)
        (statments-2)
        …..
            (if (cond-n)
                (statments-n))))

Common Lisp提供了cond操作符来应对这一情况:

(cond
    ((cond-1) (statments-1))
    ((cond-2) (statments-2))
    … …
    ((cond-n) (statments-n)))

C语言中还有一种分支结构switch…case,可用于将一个变量与诸多常量相比较。变量与哪个case中的常量相等,就继续执行该case所在的分支代码。有些资料中将该结构称为选择结构,这里我把它统一划归在条件分支一类中。因为只有满足case条件,执行权才会进入到这个分支:
switch (expression) {
    case (const expression):
        statments;
        … …
    case (const expression):
        statments;
    default:
        statments;
}

Common Lisp中也有与switch…case对应的结构:case。
[1] > (defun grade-meaning (grade)
        (case grade
            ((5) "Excellent")
            ((4) "Good")
            ((3) "Average")
            ((2) "Poor")
            ((1) "Failing")
            (otherwise "Illegal grade")))
GRADE-MEANING
[2]> (grade-meaning 5)
"Excellent"
[3]> (grade-meaning 1)
"Failing"
[4]> (grade-meaning 0)
"Illegal grade"

case结构中的otherwise类似与C语言中switch…case中的default分支,用于处理默认情况。我们也可以用t代替otherwise,其语义是一样的:
[5] > (defun grade-meaning (grade)
        (case grade
            ((5) "Excellent")
            ((4) "Good")
            ((3) "Average")
            ((2) "Poor")
            ((1) "Failing")
            (t "Illegal grade")))

三、循环结构
和前两种控制结构相比,循环结构相对更加复杂一些。C语言提供了三种循环结构:for,do-while和while。而在Common Lisp中最通用也最灵活的循环结构为do宏。

do宏的语法形式如下:
(do ((var init-form step-form)*)
    (end-test-form result-form*)
  statement*)

和C语言中的for语句相似,do宏的执行过程也比较复杂:
1) 在初始化阶段,即循环未开始前,init-form被求值,求值结果赋给var;
2) 求值end-test-form,如果为nil,则进入子循环体,执行statement*; 如果为真,则求值result-form,并将求值结果作为do的返回值,循环结束;
3) 每个子循环执行完毕后,都会求值step-form,并用求值结果更新var;
4) 重复执行步骤2)

我们用个例子来分析一下这个执行过程,下面是一个求0到2的累加和的例子:
(do ((i 0 (1+ i))
     (sum 0 (+ sum i)))
   ((> i 2) sum))

1) 初始化:i = 0, sum = 0
2) 求值end-test-form,判断终止条件是否成立,(> 0 2)为nil,进入子循环;
3) 循环体为空,求值step-form,即i <- 0 + 1,结果i = 1; sum <- sum + i = 0 + 0(注意:这里的i用的是更新前的旧值),结果sum = 0; 
4) 求值end-test-form,判断终止条件是否成立,(> 1 2)为nil,进入子循环;
5) 循环体为空,求值step-form,即i <- 1 + 1,结果i = 2; sum <- sum + i = 0 + 1 = 1; 
6) 求值end-test-form,判断终止条件是否成立,(> 2 2)为nil,进入子循环;
7) 循环体为空,求值step-form,即i <- 2 + 1,结果i = 3; sum <- sum + i = 1 + 2 = 3; 
8) 求值end-test-form,判断终止条件是否成立,(> 3 2)为t,求值result-form,即sum = 3,do循环结束,返回值3。

do宏通用性强,但语法及行为复杂。为了简化代码,方便使用,针对两种常见情况Common Lisp基于do宏又提供了dotimes和dolist两个宏。

dotimes宏顾名思义,适用于多次重复执行某个动作,其语法形式:
(dotimes (var max-count-form)
  body-form*)

其执行流程照比do宏要简单的多,注意max-count-form求值结果必须为一数值:
1) var初始化为0
2) 检查循环结束条件:如果var小于max-count-form的求值结果,则求值body-form;否则返回nil
3) var <- var + 1
4) 重复执行步骤2)

例如:
[1] > (dotimes (i 2) (print i))
0
1
NIL

dolist宏适用于迭代处理一个list中的诸多元素,其语法形式如下:
(dolist (var list-form)
  body-form*)

其执行流程大致如下:
1) var初始化为list-form的第一个元素
2) 检查循环结束条件:如果var不为nil,则求值body-form;否则返回nil
3) var被赋值为list-form中的下一个元素
4) 重复执行步骤2)

例如:
[1]> (dolist (i '(1 2 3))
        (print (* 2 i)))
2
4
6
NIL

[2]> (defun integer-list-sum (x)
        (let ((sum 0))
            (dolist (i x)
                (setf sum (+ sum i)))
            (print sum)))
INTEGER-LIST-SUM
[3]> (integer-list-sum '(1 2 3 4))
10

在C语言中,我们可以通过break从循环中主动退出。Common Lisp同样也提供了"break"特性,不过Common Lisp用的是return,例如:

[1]> (do ((n 0 (1+ n))
          (cur 0 next)
          (next 1 (+ cur next)))
       ((= 10 n) cur)
       (if (oddp cur)
           (progn
               (print cur)
               (return))))
1
NIL

有了三种控制结构,我们就可以用Common Lisp编写出更加富有表现力的实用代码了。以上只是Common Lisp提供的标准控制结构。别忘了,Common Lisp可是一门可编程的编程语言,我们完全可以根据自己的需要定义出更加简洁方便的控制结构,不过这是高级话题了。等我们学到宏的时候再考虑这些吧。现在的首要任务就是熟练掌握这些基本的控制结构^_^。

当可执行程序版本信息变更时

在Unix/Linux上,我们一般可以通过两种方法查看到一个可执行程序的版本信息,以下以Ubuntu中的Gcc为例。

第一种方法:我们可以直接通过程序名字得到版本信息,例如:
$ which gcc
/usr/bin/gcc
$ ls -l /usr/bin/gcc
lrwxrwxrwx 1 root root 7 2010-08-21 00:18 /usr/bin/gcc -> gcc-4.4*

可以看到我用的Gcc的版本号为4.4,但似乎这个版本信息还不够全,只包含了major和minor版本号,还不包括bugfix修订号。

第二种方法,也是最常见的,获得版本信息最为详细的方法,它就是通过-v或–version命令行选项来查看可执行程序的版本号,绝大多数Unix/Linux下的程序都是支持这种方法的。比如:

$ gcc –version
gcc (Ubuntu 4.4.3-4ubuntu5) 4.4.3

可能有人会认为无论是将版本信息放入程序名字中还是在程序内部加上版本信息,都不是神马难事儿,没有必要单写一篇文章来说明。没错,这些的确不是什么困难的事。

在程序名字中放入版本号,通过Gcc命令即可完成:
$ gcc -o foo-1.3.1 foo.c

如果你使用Makefile来构建你的程序,你可以这样做:

/* Makefile */
TARGET = foo-1.3.1
all: $(TARGET)
    gcc -o $(TARGET) foo.c

而在程序内部加上版本信息的最简单方法莫过于在头文件中定义一个宏,然后在version函数中输出这个宏的内容:

/* version.h */
#define VERSION  "1.3.1"

/* version.c */
void version() {
    printf("%s\n", VERSION);
}

我相信很多朋友都是如是做的。

如果大家真的都是这样做的,那么问题就出现了:"当可执行程序的版本信息发生变更时,我们需要修改两个地方"。又有人会说:"修改两个地方也不是很麻烦啊"。没错,但这绝不是吹毛求疵,而是实实在在发生的问题。实际开发中很多开发人员总是只记得修改一处,而忘记了另外一处,这样就导致了两处版本信息的不一致。

我们不能完全依靠开发人员的细心和责任心来消除这一问题,我这里提供一种方法供大家参考:

我们在Makefile中像这样定义一组版本信息相关的变量,最重要的是通过一个外部宏定义FOO_VERSION_INFO将版本内容传递到程序内部:

# Makefile

MAJOR := 1
MINOR := 3
BUGFIX := 1

TARGET := foo-$(MAJOR).$(MINOR)

CFLAGS = -DFOO_VERSION_INFO=\"${MAJOR}.${MINOR}.${BUGFIX}\"

all:
    gcc -o $(TARGET) $(CFLAGS) foo.c

/* foo.c */
void version() {
    /* 这里直接使用Makefile中定义的FOO_VERSION_INFO宏 */
    printf("%s\n", FOO_VERSION_INFO);
}

int main() {
    version();
    return 0;
}

$ foo-1.3
$ 1.3.1

这样一来,即使版本号发生变更了,我们也只需修改Makefile这一处包含版本信息的文件即可。

很多可执行程序的文件名中并不包含版本信息,像ls。如果是这样的话,一切就变得简单了。但是若像Gcc那样,在程序名以及程序内部都包含有版本信息的,我相信使用这个方法/技巧还是大有裨益的。

西中岛旅记

算上这次,部门已经是连续三年组织去海边旅游了。前年没印象了,去年是南北戴河,今年是西中岛。

按理来说,总去海边肯定有些腻歪了。但我个人还是比较喜欢海的。喜欢海不是因为喜欢吃新鲜的海鲜,而是向往一种意境:大家一起坐在海边,扶着海风,听着海浪、远望海天之际,或陷入冥想,或欢歌笑语。

据导游说西中岛是个刚开发没几年的海边旅游景区,各种配套设施与成熟的景区相比还有较大差距,其吸引游客的地方就在于其平缓宽阔且沙质细腻的海滩、相对清澈的海水以及可以欣赏到海边日落的优越海湾位置。

实际情况也的确如此。第一感觉西中岛就是一个偏僻的小乡村。如果以前从未来过,你很难通过路标找到这里。入住酒店后,大家就成群结伙儿的来到海边。现在是旅游旺季,海边的游客真不是一般得多,满眼都是"肉色"。又恰逢晌午时分,海水潮涨,海滩面积变小,更加凸显了那人山人海的气势。不喜欢过于喧闹,于是与几位同事沿着海岸向一侧人少的地方漫步。一边走,一边感受西中岛的海。

西中岛的海十分适宜游客玩海。它具备几个良好的条件:首先是沙质细腻,没有石头,这样游客才敢于下海,愿意下海;其次海滩向大海延伸比较平缓,距岸边几十米处的海水深度也就刚没过成人脚踝,这样家长可以十分放心地让小孩子们自由随性的玩海;最后,这里的海水相对来说是比较干净的,美中不足的是这里的沙子中混入了一些泥土,有些地方水因泥而显混浊。

西中岛的浪大,浪头也高。不知道是否是恰逢涨潮的缘故,这里的海浪让我印象深刻。记忆中似乎还没有见识过如此激情澎湃的浪头,目测近岸的浪头足有一米多,估计都具备冲浪的条件了。很多游客在波波浪涌中体味着海水冲扶的乐趣。

海滩的西侧是一处天然巨石形成的小山包,山顶矗立着几栋别墅,那是VIP的活动区域。巨石上开凿了小路,在山顶处有一处观景台,这里应该是整个西中岛看海最好的地方了。走累了,就和几个同事在这里一坐,谈天说地,感受着着壮观的大海,这似乎就是我向往的那种意境。

因旅行社统一安排,我们没来得及欣赏海边日落,不过之前在其他地方见到过几次,所以也没什么遗憾。

与白天相比,夜晚海滩的喧闹有过之而无不及。篝火、焰火、孔明灯照亮夜空,海浪声、歌声,欢笑声也不绝于耳,这些的确可以让人释放一些生活和工作中的压力,但却失去了我内心中的那向往的静谧,让我仿佛又看到了都市般的喧嚣。我的内心深处其实更想独坐在沙滩上,耳中只有海浪之声,释放心灵深处的一切压抑和苦恼,去感受心旷神怡般的美妙。

两天一宿的西中岛之旅很快就过去了。大海之旅总是这样的:把压抑苦闷扔给大海,自己带走一缕清新。

附记:
* 从沈城驱车到西中岛理想情况需5个多点,我们此行因堵车花费了7个小时。
*西中岛位于瓦房店市区域,这里盛产桃子。不过一路走来,发现路边桃子的品相似乎不大好,不知道是不是好桃子都早已卖到外地去了。
* 西中岛海滩管理较差,污物随处丢弃现象时有发生,海滩上经营海产品饮食的小店卫生情况也很一般。

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