作为Lisp语言大家族的一员,Scheme同样擅长于处理表。你应该理解表以及有关表的操作以掌握Scheme。表在在后面章节中的递归函数和高阶函数中扮演重要角色。

在本章中,讲解基本的表操作,例如conscarcdrlistquote

3.2 Cons单元和表

3.2.1 Cons单元

首先,让我解释一下表的元素:Cons单元 (Cons cells) 。Cons单元是一个存放了两个地址的内存空间。Cons单元可用函数cons生成。

在前端输入(cons 1 2)

(cons 1 2)
;Value 11: (1 . 2)

系统返回(1 . 2)。如图一所示,函数cons给两个地址分配了内存空间,并把存放指向1的地址放在一个空间,把存放指向2的地址放在另一个空间。存放指向1的地址的内存空间被称作car部分,对应的,存放指向2的地址的内存空间被称作cdr部分。carcdr分别是寄存器地址部分 (Contents of the Address part of the Register) 和寄存器减量部分 (Contents of the Decrement part of the Register) 的简称。这些名字最初来源于Lisp首次被实现所使用的硬件环境中内存空间的名字。这些名字同时也表明Cons单元的本质就是一个内存空间。cons这个名字是术语构造 (construction) 的简称。

A cons cell

一个Cons单元

Cons单元也可以被串起来。

(cons 3 (cons 1 2))
;Value 15: (3 1 . 2)

(3 . (1 . 2))可以更方便地表示为(3 1 . 2)。这种情况的内存空间如下图所示。

Beaded cons cells 串连Cons单元

Cons单元可以存放不同类型的数据,也可以嵌套。

(cons #\a (cons 3 "hello"))
;Value 17: (#\a 3 . "hello")

(cons (cons 0 1) (cons 1 2))
;Value 23: ((0 . 1) 1 . 2)

这是因为Scheme可以通过地址操作所有的数据。 (#\c代表了一个字符c。例如,#\a就代表字符a)

3.2.2 表

表是Cons单元通过用cdr部分连接到下一个Cons单元的开头实现的。表中包含的’()被称作空表。就算数据仅由一个Cons单元组成,只要它的cdr单元是’(),那它就是一个表。图3展示了表(1 2 3)的内存结构。

Memory structure for a list (1 2 3)

表(1 2 3)的内存结构

事实上,表可以像下面这样递归地定义:

  • ‘()是一个表

  • 如果ls是一个表且obj是某种类型的数据,那么(cons obj ls)也是一个表 正因为表是一种被递归定义的数据结构,将它用在递归的函数中显然是合理的。

3.3 原子

不使用Cons单元的数据结构称为原子 (atom) 。数字,字符,字符串,向量和空表’()都是原子。’()既是原子,又是表。

练习1

使用cons来构建在前端表现为如下形式的数据结构。

("hi" . "everybody")
(0)
(1 10 . 100)
(1 10 100)
(#\I "saw" 3 "girls")
("Sum of" (1 2 3 4) "is" 10)

3.4 引用

所有的记号都会依据Scheme的求值规则求值:所有记号都会从最内层的括号依次向外层括号求值,且最外层括号返回的值将作为S-表达式的值。一个被称为引用 (quote) 的形式可以用来阻止记号被求值。它是用来将符号或者表原封不动地传递给程序,而不是求值后变成其它的东西。

例如,(+ 2 3)会被求值为5,然而(quote (+ 2 3))则向程序返回(+ 2 3)本身。因为quote的使用频率很高,他被简写为

比如:

’(+ 2 3)代表列表(+ 2 3)本身; ’+代表符号+本身; 实际上,’()是对空表的引用,也就是说,尽管解释器返回()代表空表,你也应该用’()来表示空表。

3.4.1 特殊形式

Scheme有两种不同类型的操作符:其一是函数。函数会对所有的参数求值并返回值。另一种操作符则是特殊形式。特殊形式不会对所有的参数求值。除了quotelambdadefineifset!,等都是特殊形式。

3.5 car函数和cdr函数

返回一个Cons单元的car部分和cdr部分的函数分别是carcdr函数。如果cdr部分串连着Cons单元,解释器会打印出整个cdr部分。如果Cons单元的cdr部分不是’(),那么其值稍后亦会被展示。

(car '(1 2 3 4))
;Value: 1

(cdr '(1 2 3 4))
;Value 18: (2 3 4)

练习2

求值下列S-表达式。

(car '(0))
(cdr '(0))
(car '((1 2 3) (4 5 6)))
(cdr '(1 2 3 . 4))
(cdr (cons 3 (cons 2 (cons 1 '()))))

3.6 list函数

list函数使得我们可以构建包含数个元素的表。函数list有任意个数的参数,且返回由这些参数构成的表。

(list)
;Value: ()

(list 1)
;Value 24: (1)

(list '(1 2) '(3 4))
;Value 25: ((1 2) (3 4))

(list 0)
;Value 26: (0)

(list 1 2)
;Value 27: (1 2)

3.7 小结

本章讲解了表和表的基本操作。我担心前三章有些无趣。我希望下一章能有趣点,它主要讲述了如何编写函数。我也会讲解如何用编辑器来编辑代码,如何将代码加载到解释器中,以及如何定义函数。

3.8 习题解答

3.8.1 答案1

;1
(cons "hi" "everybody")
;Value 32: ("hi" . "everybody")

;2
(cons 0 '())
;Value 33: (0)

;3
(cons 1 (cons 10 100))
;Value 34: (1 10 . 100)

;4
(cons 1 (cons 10 (cons 100 '())))
;Value 35: (1 10 100)

;5
(cons #\I (cons "saw" (cons 3 (cons "girls" '()))))
;Value 36: (#\I "saw" 3 "girls")

;6
(cons "Sum of" (cons (cons 1 (cons 2 (cons 3 (cons 4 '())))) (cons "is" (cons 10 '()))))
;Value 37: ("Sum of" (1 2 3 4) "is" 10)
3.8.2 答案2

;1
(car '(0))
;Value: 0

;2
(cdr '(0))
;Value: ()

;3
(car '((1 2 3) (4 5 6)))
;Value 28: (1 2 3)

;4
(cdr '(1 2 3 . 4))
;Value 29: (2 3 . 4)

;5
(cdr (cons 3 (cons 2 (cons 1 '()))))
;Value 31: (2 1)

Takafumi ShidoDeathKing