第十四章：进阶议题

本章是选择性阅读的。本章描述了 Common Lisp 里一些更深奥的特性。Common Lisp 像是一个冰山：大部分的功能对于那些永远不需要他们的多数用户是看不见的。你或许永远不需要自己定义包 (Package)或读取宏 (read-macros)，但当你需要时，有些例子可以让你参考是很有用的。

14.1 类型标识符 (Type Specifiers)

类型在 Common Lisp 里不是对象。举例来说，没有对象对应到 integer 这个类型。我们像是从 type-of 函数里所获得的，以及作为传给像是 typep 函数的参数，不是一个类型，而是一个类型标识符 (type specifier)。

一个类型标识符是一个类型的名称。最简单的类型标识符是像是 integer 的符号。这些符号形成了 Common Lisp 里的类型层级。在层级的最顶端是类型 t ── 所有的对象皆为类型 t 。而类型层级不是一棵树。从 nil 至顶端有两条路，举例来说：一条从 atom，另一条从 list 与 sequence 。

一个类型实际上只是一个对象集合。这意味著有多少类型就有多少个对象的集合：一个无穷大的数目。我们可以用原子的类型标识符 (atomic type specifiers)来表示某些集合：比如 integer 表示所有整数集合。但我们也可以建构一个复合类型标识符 (compound type specifiers)来参照到任何对象的集合。

举例来说，如果 a 与 b 是两个类型标识符，则 (or a b) 表示分别由 a 与 b 类型所表示的联集 (union)。也就是说，一个类型(or a b) 的对象是类型 a 或 类型 b 。

如果 circular? 是一个对于 cdr 为环状的列表返回真的函数，则你可以使用适当的序列集合来表示： [1]

(or vector (and list (not (satisfies circular?))))

某些原子的类型标识符也可以出现在复合类型标识符。要表示介于 1 至 100 的整数（包含），我们可以用：

(integer 1 100)

这样的类型标识符用来表示一个有限的类型 (finite type)。

在一个复合类型标识符里，你可以通过在一个参数的位置使用 * 来留下某些未指定的信息。所以

(simple-array fixnum (* *))

描述了指定给 fixnum 使用的二维简单数组 (simple array)集合，而

(simple-array fixnum *)

描述了指定给 finxnum 使用的简单数组集合 (前者的超类型 「supertype」)。尾随的星号可以省略，所以上个例子可以写为：

(simple-array fixnum)

若一个复合类型标识符没有传入参数，你可以使用一个原子。所以 simple-array 描述了所有简单数组的集合。

如果有某些复合类型标识符你想重复使用，你可以使用 deftype 定义一个缩写。这个宏与 defmacro 相似，但会展开成一个类型标识符，而不是一个表达式。通过表达

(deftype proseq ()
        '(or vector (and list (not (satisfies circular?)))))

我们定义了 proseq 作为一个新的原子类型标识符：

> (typep #(1 2) 'proseq)
T

如果你定义一个接受参数的类型标识符，参数会被视为 Lisp 形式（即没有被求值），与 defmacro 一样。所以

(deftype multiple-of (n)
  `(and integer (satisfies (lambda (x)
                             (zerop (mod x ,n))))))

(译注: 注意上面代码是使用反引号 ````` )

定义了 (multiple-of n) 当成所有 n 的倍数的标识符：

> (type 12 '(multiple-of 4))
T

类型标识符会被直译 (interpreted)，因此很慢，所以通常你最好定义一个函数来处理这类的测试。

14.2 二进制流 (Binary Streams)

第 7 章曾提及的流有二进制流 (binary streams)以及字符流 (character streams)。一个二进制流是一个整数的来源及/或终点，而不是字符。你通过指定一个整数的子类型来创建一个二进制流 ── 当你打开流时，通常是用 unsigned-byte ── 来作为 :element-type 的参数。

关于二进制流的 I/O 函数仅有两个， read-byte 以及 write-byte 。所以下面是如何定义复制一个文件的函数：

(defun copy-file (from to)
  (with-open-file (in from :direction :input
                           :element-type 'unsigned-byte)
    (with-open-file (out to :direction :output
                            :element-type 'unsigned-byte)
      (do ((i (read-byte in nil -1)
              (read-byte in nil -1)))
          ((minusp i))
        (declare (fixnum i))
        (write-byte i out)))))

仅通过指定 unsigned-byte 给 :element-type ，你让操作系统选择一个字节 (byte)的长度。举例来说，如果你明确地想要读写 7 比特的整数，你可以使用：

(unsigned-byte 7)

来传给 :element-type 。

14.3 读取宏 (Read-Macros)

7.5 节介绍过宏字符 (macro character)的概念，一个对于 read 有特别意义的字符。每一个这样的字符，都有一个相关联的函数，这函数告诉 read 当遇到这个字符时该怎么处理。你可以变更某个已存在宏字符所相关联的函数，或是自己定义新的宏字符。

函数 set-macro-character 提供了一种方式来定义读取宏 (read-macros)。它接受一个字符及一个函数，因此当 read 碰到该字符时，它返回调用传入函数后的结果。

Lisp 中最古老的读取宏之一是 ' ，即 quote 。我们可以定义成：

(set-macro-character #\'
        #'(lambda (stream char)
                (list (quote quote) (read stream t nil t))))

当 read 在一个普通的语境下遇到 ' 时，它会返回在当前流和字符上调用这个函数的结果。(这个函数忽略了第二个参数，第二个参数永远是引用字符。)所以当 read 看到 'a 时，会返回 (quote a) 。

译注: read 函数接受的参数 (read &optional stream eof-error eof-value recursive)

现在我们明白了 read 最后一个参数的用途。它表示无论 read 调用是否在另一个 read 里。传给 read 的参数在几乎所有的读取宏里皆相同：传入参数有流 (stream)；接著是第二个参数， t ，说明了 read 若读入的东西是 end-of-file 时，应不应该报错；第三个参数说明了不报错时要返回什么，因此在这里也就不重要了；而第四个参数 t 说明了这个 read 调用是递归的。

(译注：困惑的话可以看看 read 的定义 )

你可以（通过使用 make-dispatch-macro-character ）来定义你自己的派发宏字符（dispatching macro character），但由于 #已经是一个宏字符，所以你也可以直接使用。六个 # 打头的组合特别保留给你使用： #! 、 #? 、 ##[ 、 ##] 、 #{ 、 #} 。

你可以通过调用 set-dispatch-macro-character 定义新的派发宏字符组合，与 set-macro-character 类似，除了它接受两个字符参数外。下面的代码定义了 #? 作为返回一个整数列表的读取宏。

(set-dispatch-macro-character #\# #\?
  #'(lambda (stream char1 char2)
      (list 'quote
            (let ((lst nil))
              (dotimes (i (+ (read stream t nil t) 1))
                (push i lst))
              (nreverse lst)))))

现在 #?n 会被读取成一个含有整数 0 至 n 的列表。举例来说：

> #?7
(1 2 3 4 5 6 7)

除了简单的宏字符，最常定义的宏字符是列表分隔符 (list delimiters)。另一个保留给用户的字符组是 #{ 。以下我们定义了一种更复杂的左括号：

(set-macro-character #\} (get-macro-character #\)))

(set-dispatch-macro-character #\# #\{
  #'(lambda (stream char1 char2)
      (let ((accum nil)
            (pair (read-delimited-list #\} stream t)))
        (do ((i (car pair) (+ i 1)))
            ((> i (cadr pair))
             (list 'quote (nreverse accum)))
          (push i accum)))))

这定义了一个这样形式 #{x y} 的表达式，使得这样的表达式被读取为所有介于 x 与 y 之间的整数列表，包含 x 与 y ：

> #{2 7}
(2 3 4 4 5 6 7)

函数 read-delimited-list 正是为了这样的读取宏而生的。它的第一个参数是被视为列表结束的字符。为了使 } 被识别为分隔符，必须先给它这个角色，所以程序在开始的地方调用了 set-macro-character 。

如果你想要在定义一个读取宏的文件里使用该读取宏，则读取宏的定义应要包在一个 eval-when 表达式里，来确保它在编译期会被求值。不然它的定义会被编译，但不会被求值，直到编译文件被载入时才会被求值。

14.4 包 (Packages)

一个包是一个将名字映对到符号的 Lisp 对象。当前的包总是存在全局变量 *package* 里。当 Common Lisp 启动时，当前的包会是*common-lisp-user* ，通常称为用户包 (user package)。函数 package-name 返回包的名字，而 find-package 返回一个给定名称的包:

> (package-name *package*)
"COMMON-LISP-USER"
> (find-package "COMMON-LISP-USER")
#<Package "COMMON-LISP-USER" 4CD15E>

通常一个符号在读入时就被 interned 至当前的包里面了。函数 symbol-package 接受一个符号并返回该符号被 interned 的包。

(symbol-package 'sym)
#<Package "COMMON-LISP-USER" 4CD15E>

有趣的是，这个表达式返回它该返回的值，因为表达式在可以被求值前必须先被读入，而读取这个表达式导致 sym 被 interned。为了之后的用途，让我们给 sym 一个值:

> (setf sym 99)
99

现在我们可以创建及切换至一个新的包：

> (setf *package* (make-package 'mine
                                :use '(common-lisp)))
#<Package "MINE" 63390E>

现在应该会听到诡异的背景音乐，因为我们来到一个不一样的世界了： 在这里 sym 不再是本来的 sym 了。

MINE> sym
Error: SYM has no value

为什么会这样？因为上面我们设为 99 的 sym 与 mine 里的 sym 是两个不同的符号。 [2] 要在用户包之外参照到原来的 sym ，我们必须把包的名字加上两个冒号作为前缀：

MINE> common-lisp-user::sym
99

所以有着相同打印名称的不同符号能够在不同的包内共存。可以有一个 sym 在 common-lisp-user 包，而另一个 sym 在 mine 包，而他们会是不一样的符号。这就是包存在的意义。如果你在分开的包内写你的程序，你大可放心选择函数与变量的名字，而不用担心某人使用了同样的名字。即便是他们使用了同样的名字，也不会是相同的符号。

包也提供了信息隐藏的手段。程序应通过函数与变量的名字来参照它们。如果你不让一个名字在你的包之外可见的话，那么另一个包中的代码就无法使用或者修改这个名字所参照的对象。

通常使用两个冒号作为包的前缀也是很差的风格。这么做你就违反了包本应提供的模块性。如果你不得不使用一个双冒号来参照到一个符号，这是因为某人根本不想让你用。

通常我们应该只参照被输出 ( exported )的符号。如果我们回到用户包里，并输出一个被 interned 的符号，

MINE> (in-package common-lisp-user)
#<Package "COMMON-LISP-USER" 4CD15E>
> (export 'bar)
T
> (setf bar 5)
5

我们使这个符号对于其它的包是可视的。现在当我们回到 mine ，我们可以仅使用单冒号来参照到 bar ，因为他是一个公开可用的名字：

> (in-package mine)
#<Package "MINE" 63390E>
MINE> common-lisp-user:bar
5

通过把 bar 输入 ( import )至 mine 包，我们就能进一步让 mine 和 user 包可以共享 bar 这个符号：

MINE> (import 'common-lisp-user:bar)
T
MINE> bar
5

在输入 bar 之后，我们根本不需要用任何包的限定符 (package qualifier)，就能参照它了。这两个包现在共享了同样的符号；不可能会有一个独立的 mine:bar 了。

要是已经有一个了怎么办？在这种情况下， import 调用会产生一个错误，如下面我们试著输入 sym 时便知：

MINE> (import 'common-lisp-user::sym)
Error: SYM is already present in MINE.

在此之前，当我们试着在 mine 包里对 sym 进行了一次不成功的求值，我们使 sym 被 interned 至 mine 包里。而因为它没有值，所以产生了一个错误，但输入符号名的后果就是使这个符号被 intern 进这个包。所以现在当我们试著输入 sym 至 mine 包里，已经有一个相同名称的符号了。

另一个方法来获得别的包内符号的存取权是使用( use )它：

MINE> (use-package 'common-lisp-user)
T

现在所有由用户包 (译注: common-lisp-user 包）所输出的符号，可以不需要使用任何限定符在 mine 包里使用。(如果 sym 已经被用户包输出了，这个调用也会产生一个错误。)

含有自带操作符及变量名字的包叫做 common-lisp 。由于我们将这个包的名字在创建 mine 包时作为 make-package 的 :use 参数，所有的 Common Lisp 自带的名字在 mine 里都是可视的:

MINE> #'cons
#<Compiled-Function CONS 462A3E>

在编译后的代码中, 通常不会像这样在顶层进行包的操作。更常见的是包的调用会包含在源文件里。通常，只要把 in-package 和defpackage 放在源文件的开头就可以了，正如 137 页所示。

这种由包所提供的模块性实际上有点奇怪。我们不是对象的模块 (modules)，而是名字的模块。

每一个使用了 common-lisp 的包，都可以存取 cons ，因为 common-lisp 包里有一个叫这个名字的函数。但这会导致一个名字为cons 的变量也会在每个使用了 common-lisp 包里是可视的。如果包使你困惑，这就是主要的原因；因为包不是基于对象而是基于名字。

14.5 Loop 宏 (The Loop Facility)

loop 宏最初是设计来帮助无经验的 Lisp 用户来写出迭代的代码。与其撰写 Lisp 代码，你用一种更接近英语的形式来表达你的程序，然后这个形式被翻译成 Lisp。不幸的是， loop 比原先设计者预期的更接近英语：你可以在简单的情况下使用它，而不需了解它是如何工作的，但想在抽象层面上理解它几乎是不可能的。

如果你是曾经计划某天要理解 loop 怎么工作的许多 Lisp 程序员之一，有一些好消息与坏消息。好消息是你并不孤单：几乎没有人理解它。坏消息是你永远不会理解它，因为 ANSI 标准实际上并没有给出它行为的正式规范。

这个宏唯一的实际定义是它的实现方式，而唯一可以理解它（如果有人可以理解的话）的方法是通过实例。ANSI 标准讨论 loop 的章节大部分由例子组成，而我们将会使用同样的方式来介绍相关的基础概念。

第一个关于 loop 宏我们要注意到的是语法 ( syntax )。一个 loop 表达式不是包含子表达式而是子句 (clauses)。這些子句不是由括号分隔出来；而是每种都有一个不同的语法。在这个方面上， loop 与传统的 Algol-like 语言相似。但其它 loop 独特的特性，使得它与 Algol 不同，也就是在 loop 宏里调换子句的顺序与会发生的事情没有太大的关联。

一个 loop 表达式的求值分为三个阶段，而一个给定的子句可以替多于一个的阶段贡献代码。这些阶段如下：

1. 序幕 (Prologue)。 被求值一次来做为迭代过程的序幕。包括了将变量设至它们的初始值。
2. 主体 (Body) 每一次迭代时都会被求值。
3. 闭幕 (Epilogue) 当迭代结束时被求值。决定了 loop 表达式的返回值（可能返回多个值）。

我们会看几个 loop 子句的例子，并考虑何种代码会贡献至何个阶段。

举例来说，最简单的 loop 表达式，我们可能会看到像是下列的代码：

> (loop for x from 0 to 9
        do (princ x))
0123456789
NIL

这个 loop 表达式印出从 0 至 9 的整数，并返回 nil 。第一个子句，

for x from 0 to 9

贡献代码至前两个阶段，导致 x 在序幕中被设为 0 ，在主体开头与 9 来做比较，在主体结尾被递增。第二个子句，

do (princ x)

贡献代码给主体。

一个更通用的 for 子句说明了起始与更新的形式 (initial and update form)。停止迭代可以被像是 while 或 until 子句来控制。

> (loop for x = 8 then (/ x 2)
        until (< x 1)
        do (princ x))
8421
NIL

你可以使用 and 来创建复合的 for 子句，同时初始及更新两个变量：

> (loop for x from 1 to 4
        and y from 1 to 4
        do (princ (list x y)))
(1 1)(2 2)(3 3)(4 4)
NIL

要不然有多重 for 子句时，变量会被循序更新。

另一件在迭代代码通常会做的事是累积某种值。举例来说：

> (loop for x in '(1 2 3 4)
        collect (1+ x))
(2 3 4 5)

在 for 子句使用 in 而不是 from ，导致变量被设为一个列表的后续元素，而不是连续的整数。

在这个情况里， collect 子句贡献代码至三个阶段。在序幕，一個匿名累加器 (anonymous accumulator)設為 nil ；在主体裡，(1+ x) 被累加至這個累加器，而在闭幕时返回累加器的值。

这是返回一个特定值的第一个例子。有用来明确指定返回值的子句，但没有这些子句时，一个 collect 子句决定了返回值。所以我们在这里所做的其实是重复了 mapcar 。

loop 最常见的用途大概是蒐集调用一个函数数次的结果：

> (loop for x from 1 to 5
        collect (random 10))
(3 8 6 5 0)

这里我们获得了一个含五个随机数的列表。这跟我们定义过的 map-int 情况类似 (105 页「译注: 6.4 小节。」)。如果我们有了 loop，为什么还需要 map-int ？另一个人也可以说，如果我们有了 map-int ，为什么还需要 loop ？

一个 collect 子句也可以累积值到一个有名字的变量上。下面的函数接受一个数字的列表并返回偶数与奇数列表：

(defun even/odd (ns)
  (loop for n in ns
        if (evenp n)
           collect n into evens
           else collect n into odds
        finally (return (values evens odds))))

一个 finally 子句贡献代码至闭幕。在这个情况它指定了返回值。

一个 sum 子句和一个 collect 子句类似，但 sum 子句累积一个数字，而不是一个列表。要获得 1 至 n 的和，我们可以写：

(defun sum (n)
  (loop for x from 1 to n
        sum x))

loop 更进一步的细节在附录 D 讨论，从 325 页开始。举个例子，图 14.1 包含了先前章节的两个迭代函数，而图 14.2 演示了将同样的函数翻译成 loop 。

(defun most (fn lst)
  (if (null lst)
      (values nil nil)
      (let* ((wins (car lst))
             (max (funcall fn wins)))
        (dolist (obj (cdr lst))
          (let ((score (funcall fn obj)))
            (when (> score max)
              (setf wins obj
                    max  score))))
        (values wins max))))

(defun num-year (n)
  (if (< n 0)
      (do* ((y (- yzero 1) (- y 1))
            (d (- (year-days y)) (- d (year-days y))))
           ((<= d n) (values y (- n d))))
      (do* ((y yzero (+ y 1))
            (prev 0 d)
            (d (year-days y) (+ d (year-days y))))
           ((> d n) (values y (- n prev))))))

图 14.1 不使用 loop 的迭代函数

(defun most (fn lst)
  (if (null lst)
      (values nil nil)
      (loop with wins = (car lst)
            with max = (funcall fn wins)
            for obj in (cdr lst)
            for score = (funcall fn obj)
            when (> score max)
                 (do (setf wins obj
                           max score)
            finally (return (values wins max))))))

(defun num-year (n)
  (if (< n 0)
      (loop for y downfrom (- yzero 1)
            until (<= d n)
            sum (- (year-days y)) into d
            finally (return (values (+ y 1) (- n d))))
      (loop with prev = 0
            for y from yzero
            until (> d n)
            do (setf prev d)
            sum (year-days y) into d
            finally (return (values (- y 1)
                                    (- n prev))))))

图 14.2 使用 loop 的迭代函数

一个 loop 的子句可以参照到由另一个子句所设置的变量。举例来说，在 even/odd 的定义里面， finally 子句参照到由两个collect 子句所创建的变量。这些变量之间的关系，是 loop 定义最含糊不清的地方。考虑下列两个表达式：

(loop for y = 0 then z
      for x from 1 to 5
      sum 1 into z
      finally (return y z))

(loop for x from 1 to 5
      for y = 0 then z
      sum 1 into z
      finally (return y z))

它们看起来够简单 ── 每一个有四个子句。但它们返回同样的值吗？它们返回的值多少？你若试着在标准中想找答案将徒劳无功。每一个 loop 子句本身是够简单的。但它们组合起来的方式是极为复杂的 ── 而最终，甚至标准里也没有明确定义。

由于这类原因，使用 loop 是不推荐的。推荐 loop 的理由，你最多可以说，在像是图 14.2 这般经典的例子中， loop 让代码看起来更容易理解。

14.6 状况 (Conditions)

在 Common Lisp 里，状况 (condition)包括了错误以及其它可能在执行期发生的情况。当一个状况被捕捉时 (signalled)，相应的处理程序 (handler)会被调用。处理错误状况的缺省处理程序通常会调用一个中断循环 (break-loop)。但 Common Lisp 提供了多样的操作符来捕捉及处理错误。要覆写缺省的处理程序，甚至是自己写一个新的处理程序也是有可能的。

多数的程序员不会直接处理状况。然而有许多更抽象的操作符使用了状况，而要了解这些操作符，知道背后的原理是很有用的。

Common lisp 有数个操作符用来捕捉错误。最基本的是 error 。一个调用它的方法是给入你会给 format 的相同参数：

> (error "Your report uses ~A as a verb." 'status)
Error: Your report uses STATUS as a verb
                         Options: :abort, :backtrace
>>

如上所示，除非这样的状况被处理好了，不然执行就会被打断。

用来捕捉错误的更抽象操作符包括了 ecase 、 check-type 以及 assert 。前者与 case 相似，要是没有键值匹配时会捕捉一个错误：

> (ecase 1 (2 3) (4 5))
Error: No applicable clause
                         Options: :abort, :backtrace
>>

普通的 case 在没有键值匹配时会返回 nil ，但由于利用这个返回值是很差的编码风格，你或许会在当你没有 otherwise 子句时使用 ecase 。

check-type 宏接受一个位置，一个类型名以及一个选择性字符串，并在该位置的值不是预期的类型时，捕捉一个可修正的错误 (correctable error)。一个可修正错误的处理程序会给我们一个机会来提供一个新的值：

> (let ((x '(a b c)))
                (check-type (car x) integer "an integer")
                x)
Error: The value of (CAR X), A, should be an integer.
Options: :abort, :backtrace, :continue
>> :continue
New value of (CAR X)? 99
(99 B C)
>

在这个例子里， (car x) 被设为我们提供的新值，并重新执行，返回了要是 (car x) 本来就包含我们所提供的值所会返回的结果。

这个宏是用更通用的 assert 所定义的， assert 接受一个测试表达式以及一个有着一个或多个位置的列表，伴随着你可能传给error 的参数：

> (let ((sandwich '(ham on rye)))
    (assert (eql (car sandwich) 'chicken)
            ((car sandwich))
            "I wanted a ~A sandwich." 'chicken)
    sandwich)
Error: I wanted a CHICKEN sandwich.
Options: :abort, :backtrace, :continue
>> :continue
New value of (CAR SANDWICH)? 'chicken
(CHICKEN ON RYE)

要建立新的处理程序也是可能的，但大多数程序员只会间接的利用这个可能性，通过使用像是 ignore-errors 的宏。如果它的参数没产生错误时像在 progn 里求值一样，但要是在求值过程中，不管什么参数报错，执行是不会被打断的。取而代之的是， ignore-errors 表达式会直接返回两个值： nil 以及捕捉到的状况。

举例来说，如果在某个时候，你想要用户能够输入一个表达式，但你不想要在输入是语法上不合时中断执行，你可以这样写：

(defun user-input (prompt)
  (format t prompt)
  (let ((str (read-line)))
    (or (ignore-errors (read-from-string str))
        nil)))

若输入包含语法错误时，这个函数仅返回 nil :

> (user-input "Please type an expression")
Please type an expression> #%@#+!!
NIL

脚注

[1] | 虽然标准没有提到这件事，你可以假定 and 以及 or 类型标示符仅考虑它们所要考虑的参数，与 or 及 and 宏类似。

[2] | 某些 Common Lisp 实现，当我们不在用户包下时，会在顶层提示符前打印包的名字。