第八章：符号

我们一直在使用符号。符号，在看似简单的表面之下，又好像没有那么简单。起初最好不要纠结于背后的实现机制。可以把符号当成数据对象与名字那样使用，而不需要理解两者是如何关联起来的。但到了某个时间点，停下来思考背后是究竟是如何工作会是很有用的。本章解释了背后实现的细节。

8.1 符号名 (Symbol Names)

第二章描述过，符号是变量的名字，符号本身以对象所存在。但 Lisp 符号的可能性，要比在多数语言仅允许作为变量名来得广泛许多。实际上，符号可以用任何字符串当作名字。可以通过调用 symbol-name 来获得符号的名字：

> (symbol-name 'abc)
"ABC"

注意到这个符号的名字，打印出来都是大写字母。缺省情况下， Common Lisp 在读入时，会把符号名字所有的英文字母都转成大写。代表 Common Lisp 缺省是不分大小写的：

> (eql 'abc 'Abc)
T
> (CaR '(a b c))
A

一个名字包含空白，或其它可能被读取器认为是重要的字符的符号，要用特殊的语法来引用。任何存在垂直杠 (vertical bar)之间的字符序列将被视为符号。可以如下这般在符号的名字中，放入任何字符：

> (list '|Lisp 1.5| '|| '|abc| '|ABC|)
(|Lisp 1.5| || |abc| ABC)

当这种符号被读入时，不会有大小写转换，而宏字符与其他的字符被视为一般字符。

那什么样的符号不需要使用垂直杠来参照呢？基本上任何不是数字，或不包含读取器视为重要的字符的符号。一个快速找出你是否可以不用垂直杠来引用符号的方法，是看看 Lisp 如何印出它的。如果 Lisp 没有用垂直杠表示一个符号，如上述列表的最后一个，那么你也可以不用垂直杠。

记得，垂直杠是一种表示符号的特殊语法。它们不是符号的名字之一：

> (symbol-name '|a b c|)
"a b c"

(如果想要在符号名称内使用垂直杠，可以放一个反斜线在垂直杠的前面。)

译注: 反斜线是 \ (backslash)。

8.2 属性列表 (Property Lists)

在 Common Lisp 里，每个符号都有一个属性列表（property-list）或称为 plist 。函数 get 接受符号及任何类型的键值，然后返回在符号的属性列表中，与键值相关的数值：

> (get 'alizarin 'color)
NIL

它使用 eql 来比较各个键。若某个特定的属性没有找到时， get 返回 nil 。

要将值与键关联起来时，你可以使用 setf 及 get :

> (setf (get 'alizarin 'color) 'red)
RED
> (get 'alizarin 'color)
RED

现在符号 alizarin 的 color 属性是 red 。

图 8.1 符号的结构

> (setf (get 'alizarin 'transparency) 'high)
HIGH
> (symbol-plist 'alizarin)
(TRANSPARENCY HIGH COLOR RED)

注意，属性列表不以关联列表（assoc-lists）的形式表示，虽然用起来感觉是一样的。

在 Common Lisp 里，属性列表用得不多。他们大部分被哈希表取代了（4.8 小节）。

8.3 符号很不简单 (Symbols Are Big)

当我们输入名字时，符号就被悄悄地创建出来了，而当它们被显示时，我们只看的到符号的名字。某些情况下，把符号想成是表面所见的东西就好，别想太多。但有时候符号不像看起来那么简单。

从我们如何使用和检查符号的方式来看，符号像是整数那样的小对象。而符号实际上确实是一个对象，差不多像是由 defstruct 定义的那种结构。符号可以有名字、 主包（home package）、作为变量的值、作为函数的值以及带有一个属性列表。图 8.1 演示了符号在内部是如何表示的。

很少有程序会使用很多符号，以致于值得用其它的东西来代替符号以节省空间。但需要记住的是，符号是实际的对象，不仅是名字而已。当两个变量设成相同的符号时，与两个变量设成相同列表一样：两个变量的指针都指向同样的对象。

8.4 创建符号 (Creating Symbols)

8.1 节演示了如何取得符号的名字。另一方面，用字符串生成符号也是有可能的。但比较复杂一点，因为我们需要先介绍包（package）。

概念上来说，包是将名字映射到符号的符号表（symbol-tables）。每个普通的符号都属于一个特定的包。符号属于某个包，我们称为符号被包扣押（intern）了。函数与变量用符号作为名称。包借由限制哪个符号可以访问来实现模块化（modularity），也是因为这样，我们才可以引用到函数与变量。

大多数的符号在读取时就被扣押了。在第一次输入一个新符号的名字时，Lisp 会产生一个新的符号对象，并将它扣押到当下的包里（缺省是 common-lisp-user 包)。但也可以通过给入字符串与选择性包参数给 intern 函数，来扣押一个名称为字符串名的符号:

> (intern "RANDOM-SYMBOL")
RANDOM-SYMBOL
NIL

选择性包参数缺省是当前的包，所以前述的表达式，返回当前包里的一个符号，此符号的名字是 “RANDOM-SYMBOL”，若此符号尚未存在时，会创建一个这样的符号出来。第二个返回值告诉我们符号是否存在；在这个情况，它不存在。

不是所有的符号都会被扣押。有时候有一个自由的（uninterned）符号是有用的，这和公用电话本是一样的原因。自由的符号叫做 gensyms 。我们将会在第 10 章讨论宏（Macro）时，理解 gensym 的作用。

8.5 多重包 (Multiple Packages)

大的程序通常切分为多个包。如果程序的每个部分都是一个包，那么开发程序另一个部分的某个人，将可以使用符号来作为函数名或变量名，而不必担心名字在别的地方已经被用过了。

在没有提供定义多个命名空间的语言里，工作于大项目的程序员，通常需要想出某些规范（convention），来确保他们不会使用同样的名称。举例来说，程序员写显示相关的代码（display code）可能用 disp_ 开头的名字，而写数学相关的代码（math code）的程序员仅使用由 math_ 开始的代码。所以若是数学相关的代码里，包含一个做快速傅立叶转换的函数时，可能会叫做 math_fft 。

包不过是提供了一种便捷方式来自动办到此事。如果你将函数定义在单独的包里，可以随意使用你喜欢的名字。只有你明确导出（ export ）的符号会被别的包看到，而通常前面会有包的名字(或修饰符)。

举例来说，假设一个程序分为两个包， math 与 disp 。如果符号 fft 被 math 包导出，则 disp 包里可以用 math:fft 来参照它。在 math 包里，可以只用 fft 来参照。

下面是你可能会放在文件最上方，包含独立包的代码：

(defpackage "MY-APPLICATION"
            (:use "COMMON-LISP" "MY-UTILITIES")
            (:nicknames "APP")
            (:export "WIN" "LOSE" "DRAW"))

(in-package my-application)

defpackage 定义一个新的包叫做 my-application [1] 它使用了其他两个包， common-lisp 与 my-utilities ，这代表着可以不需要用包修饰符（package qualifiers）来存取这些包所导出的符号。许多包都使用了 common-lisp 包 ── 因为你不会想给 Lisp 自带的操作符与变量再加上修饰符。

my-application 包本身只输出三个符号: WIN 、 LOSE 以及 DRAW 。由于调用 defpackage 给了 my-application 一个匿称 app ，则别的包可以这样引用到这些符号，比如 app:win 。

defpackage 伴随着一个 in-package ，确保当前包是 my-application 。所有其它未修饰的符号会被扣押至 my-application ── 除非之后有别的 in-package 出现。当一个文件被载入时，当前的包总是被重置成载入之前的值。

8.6 关键字 (Keywords)

在 keyword 包的符号 (称为关键字)有两个独特的性质：它们总是对自己求值，以及可以在任何地方引用它们，如 :x 而不是 keyword:x 。我们首次在 44 页 (译注: 3.10 小节）介绍关键字参数时， (member '(a) '((a) (z)) test: #'equal) 比 (member '(a) '((a) (z)) :test #'equal) 读起来更自然。现在我们知道为什么第二个较别扭的形式才是对的。 test 前的冒号字首，是关键字的识别符。

为什么使用关键字而不用一般的符号？因为关键字在哪都可以存取。一个函数接受符号作为实参，应该要写成预期关键字的函数。举例来说，这个函数可以安全地在任何包里调用:

(defun noise (animal)
  (case animal
    (:dog :woof)
    (:cat :meow)
    (:pig :oink)))

但如果是用一般符号写成的话，它只在被定义的包内正常工作，除非关键字也被导出了。

8.7 符号与变量 (Symbols and Variables)

Lisp 有一件可能会使你困惑的事情是，符号与变量的从两个非常不同的层面互相关联。当符号是特别变量（special variable）的名字时，变量的值存在符号的 value 栏位（图 8.1）。 symbol-value 函数引用到那个栏位，所以在符号与特殊变量的值之间，有直接的连接关系。

而对于词法变量（lexical variables）来说，事情就完全不一样了。一个作为词法变量的符号只不过是个占位符（placeholder）。编译器会将其转为一个寄存器（register）或内存位置的引用位址。在最后编译出来的代码中，我们无法追踪这个符号 (除非它被保存在调试器「debugger」的某个地方)。因此符号与词法变量的值之间是没有连接的；只要一有值，符号就消失了。

8.8 示例：随机文本 (Example: Random Text)

如果你要写一个操作单词的程序，通常使用符号会比字符串来得好，因为符号概念上是原子性的（atomic）。符号可以用 eql 一步比较完成，而字符串需要使用 string= 或 string-equal 逐一字符做比较。作为一个示例，本节将演示如何写一个程序来产生随机文本。程序的第一部分会读入一个示例文件（越大越好），用来累积之后所给入的相关单词的可能性（likeilhood）的信息。第二部分在每一个单词都根据原本的示例，产生一个随机的权重（weight）之后，随机走访根据第一部分所产生的网络。

产生的文字将会是部分可信的（locally plausible），因为任两个出现的单词也是输入文件里，两个同时出现的单词。令人惊讶的是，获得看起来是 ── 有意义的整句 ── 甚至整个段落是的频率相当高。

图 8.2 包含了程序的上半部，用来读取示例文件的代码。

(defparameter *words* (make-hash-table :size 10000))

(defconstant maxword 100)

(defun read-text (pathname)
  (with-open-file (s pathname :direction :input)
    (let ((buffer (make-string maxword))
          (pos 0))
      (do ((c (read-char s nil :eof)
              (read-char s nil :eof)))
          ((eql c :eof))
        (if (or (alpha-char-p c) (char= c #\'))
            (progn
              (setf (aref buffer pos) c)
              (incf pos))
            (progn
              (unless (zerop pos)
                (see (intern (string-downcase
                               (subseq buffer 0 pos))))
                (setf pos 0))
              (let ((p (punc c)))
                (if p (see p)))))))))

(defun punc (c)
  (case c
    (#\. '|.|) (#\, '|,|) (#\; '|;|)
    (#\! '|!|) (#\? '|?|) ))

(let ((prev `|.|))
  (defun see (symb)
    (let ((pair (assoc symb (gethash prev *words*))))
      (if (null pair)
          (push (cons symb 1) (gethash prev *words*))
          (incf (cdr pair))))
    (setf prev symb)))

图 8.2 读取示例文件

从图 8.2 所导出的数据，会被存在哈希表 *words* 里。这个哈希表的键是代表单词的符号，而值会像是下列的关联列表（assoc-lists）:

((|sin| . 1) (|wide| . 2) (|sights| . 1))

使用弥尔顿的失乐园作为示例文件时，这是与键 |discover| 有关的值。它指出了 “discover” 这个单词，在诗里面用了四次，与 “wide” 用了两次，而 “sin” 与 ”sights” 各一次。(译注: 诗可以在这里找到 http://www.paradiselost.org/ )

函数 read-text 累积了这个信息。这个函数接受一个路径名（pathname），然后替每一个出现在文件中的单词，生成一个上面所展示的关联列表。它的工作方式是，逐字读取文件的每个字符，将累积的单词存在字符串 buffer 。 maxword 设成 100 ，程序可以读取至多 100 个单词，对英语来说足够了。

只要下个字符是一个字（由 alpha-char-p 决定）或是一撇 (apostrophe) ，就持续累积字符。任何使单词停止累积的字符会送给 see 。数种标点符号（punctuation）也被视为是单词；函数 punc 返回标点字符的伪单词（pseudo-word）。

函数 see 注册每一个我们看过的单词。它需要知道前一个单词，以及我们刚确认过的单词 ── 这也是为什么要有变量 prev 存在。起初这个变量设为伪单词里的句点；在 see 函数被调用后， prev 变量包含了我们最后见过的单词。

在 read-text 返回之后， *words* 会包含输入文件的每一个单词的条目（entry）。通过调用 hash-table-count 你可以了解有多少个不同的单词存在。鲜少有英文文件会超过 10000 个单词。

现在来到了有趣的部份。图 8.3 包含了从图 8.2 所累积的数据来产生文字的代码。 generate-text 函数导出整个过程。它接受一个要产生几个单词的数字，以及选择性传入前一个单词。使用缺省值，会让产生出来的文件从句子的开头开始。

(defun generate-text (n &optional (prev '|.|))
  (if (zerop n)
      (terpri)
      (let ((next (random-next prev)))
        (format t "~A " next)
        (generate-text (1- n) next))))

(defun random-next (prev)
  (let* ((choices (gethash prev *words*))
         (i (random (reduce #'+ choices
                            :key #'cdr))))
    (dolist (pair choices)
      (if (minusp (decf i (cdr pair)))
          (return (car pair))))))

图 8.3 产生文字

要取得一个新的单词， generate-text 使用前一个单词，接着调用 random-next 。 random-next 函数根据每个单词出现的机率加上权重，随机选择伴随输入文本中 prev 之后的单词。

现在会是测试运行下程序的好时机。但其实你早看过一个它所产生的示例： 就是本书开头的那首诗，是使用弥尔顿的失乐园作为输入文件所产生的。

(译注: 诗可在这里看，或是浏览书的第 vi 页)

Half lost on my firmness gains more glad heart,

Or violent and from forage drives

A glimmering of all sun new begun

Both harp thy discourse they match’d,

Forth my early, is not without delay;

For their soft with whirlwind; and balm.

Undoubtedly he scornful turn’d round ninefold,

Though doubled now what redounds,

And chains these a lower world devote, yet inflicted?

Till body or rare, and best things else enjoy’d in heav’n

To stand divided light at ev’n and poise their eyes,

Or nourish, lik’ning spiritual, I have thou appear.

── Henley

Chapter 8 总结 (Summary)

1. 符号的名字可以是任何字符串，但由 read 创建的符号缺省会被转成大写。
2. 符号带有相关联的属性列表，虽然他们不需要是相同的形式，但行为像是 assoc-lists 。
3. 符号是实质的对象，比较像结构，而不是名字。
4. 包将字符串映射至符号。要在包里给符号创造一个条目的方法是扣留它。符号不需要被扣留。
5. 包通过限制可以引用的名称增加模块化。缺省的包会是 user 包，但为了提高模块化，大的程序通常分成数个包。
6. 可以让符号在别的包被存取。关键字是自身求值并在所有的包里都可以存取。
7. 当一个程序用来操作单词时，用符号来表示单词是很方便的。

Chapter 8 练习 (Exercises)

1. 可能有两个同名符号，但却不 eql 吗？
2. 估计一下用字符串表示 “FOO” 与符号表示 foo 所使用内存空间的差异。
3. 只使用字符串作为实参 来调用 137 页的 defpackage 。应该使用符号比较好。为什么使用字符串可能比较危险呢？
4. 加入需要的代码，使图 7.1 的代码可以放在一个叫做 "RING" 的包里，而图 7.2 的代码放在一个叫做 "FILE" 包里。不需要更动现有的代码。
5. 写一个确认引用的句子是否是由 Henley 生成的程序 (8.8 节)。
6. 写一版 Henley，接受一个单词，并产生一个句子，该单词在句子的中间。

脚注