1、概述

自從裘宗燕教授翻譯了《計算機程序的構造和解釋》（Structure and Intepretation of Computer Programs，SICP）第二版之后，這本MIT計算機系的編程入門教材開始越來越多地受到中國開發者的關注。同時受到關注的，還有它所介紹的函數式編程（Functional Programming），以及其中范例所使用的Scheme語言。

時光倒轉到30年前，1975年，Bill Gates和Paul Allen寫出了那個傳奇的BASIC版本——他們后來賣給MITS、換來“第一桶金”的那個BASIC版本。同一年，Gerald Sussman——他正是SICP的作者——創造了Scheme語言。其實Scheme并不是一種新鮮的語言，準確地說，它只是LISP的一個變體、一種方言。早在1958年，John McCarthy就開始研究一種“用于處理列表數據”的語言——這也是LISP名字的由來（LISt Processing）。“列表處理”乍看上去是一個相當特定的問題，但實際上這類問題有著深遠而重要的內涵，稍后我們就會看到這里的故事。

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2、Scheme 語言特性與實例介紹

與LISP的其他方言相比，Scheme最大的特點或許在于：它是可以被編譯成機器碼的。也就是說，它的運行效率更高。除此之外，Scheme在語言層面上可說是中規中矩。LISP素來奉仰的哲學思想是“微核心+高擴展性”，Scheme也將這一特點發揮到了極致。Scheme內置的關鍵字（keyword）少得可憐，就連大于小于、加減乘除等操作都是以函數的形式出現。甚至可以夸張一點說，只要有define關鍵字與括號，就可以寫出所有程序。不過，這種風格的一個副作用是會在程序中出現大量的括號，所以也有人把LISP戲稱為“一大堆煩人的、教人看不懂的括號”（Lots of Irritating, Spurious Parentheses）。譬如說，下面的程序是用來求一個值的平方：

(define (square x)

??????(* x x))

(display (square 3))

對于我們這些從C語言開始入門、習慣了過程式編程（相對于“函數式編程”而言）的程序員，初接觸LISP/Scheme之時，受到的第一個觸動大概就是：Scheme不區分數據與操作。仍然以“求平方”的例子，“x的平方”可以表述為“以1為基數，將‘乘以x’計算兩次”。如果用C++語言，這個邏輯可以這樣實現：

int square(int x) {

??????return 1 * x * x;

}

而在Scheme中，我們還可以這樣實現：

(define (twice func base arg)

??????(func base (func base arg)))

(define (square x)

??????(twice * 1 x))

這種實現的特點在哪里？最大的特點就是：一個操作（乘法運算）被當作參數傳遞。按照程序設計的“黑話”，如果一個程序單元可以被作為參數和返回值傳遞，那么這個單元就被稱為“一等公民”（first class）。在C/C++/Java等語言中，雖然也可以通過函數指針、functor等形式傳遞“操作”，但畢竟是經過了包裝；而在Scheme中，可以將另一個函數直接作為參數傳入函數，也可以作為返回值傳回另一個函數，函數（也即“操作”）完全被作為一等公民對待。

這樣做的好處是什么？在上面的例子中，我們把“兩次執行某操作”的邏輯也抽象出來，得到了twice函數。如果我們想要實現“以0為基數將加法操作執行兩遍”（也就是“乘以2”），只需要這樣寫：

(define (double x)

??????(twice + 0 x))

這里的twice函數是“對別的函數進行操作的函數”，它的結果取決于傳入什么函數給它作為參數。像這種“函數的函數”，在函數式編程的術語中被稱為“高階函數”（high-order）。能夠很自然地實現高階函數，是Scheme的第二個重要特點。在前面已經提到過，LISP這個名字代表“列表處理”，其實處理列表數據的能力正是來自對高階函數的運用。譬如說，我們有下面這樣一個列表：

{1, 2, 3, 4, 5}

針對這個列表，我們要做兩件事：

1.??????將每個元素翻倍，得到新的列表：{2, 4, 6, 8, 10}

2.??????對每個元素求平方，得到新的列表：{1, 4, 9, 16, 25}

用Java語言，我們可以這樣實現：

List<int> doubleList(List<int> src) {

??????List<int> dist = new ArrayList<int>();

??????for(int item : src) {

????????????dist.add(item * 2);

}

return dist;

}

List<int> squareList(List<int> src) {

??????List<int> dist = new ArrayList<int>();

??????for(int item : src) {

????????????dist.add(item * item);

}

return dist;

}

問題一目了然：除了加粗的兩行代碼之外，這兩個方法幾乎是完全重復的。細想之下，其實這兩個方法做的事情非常相似：遍歷一個列表，按照“某種規則”將原列表的每個元素映射到新的列表中。因為這個“某種規則”是針對元素的映射操作，所以為了抽象這種列表操作，我們必須實現一個高階函數，將實際的映射操作以參數的形式傳入。于是，在能夠方便實現高階函數的Scheme中，以上邏輯實現起來相當容易：

(define (double-list src)

??????(map double src))

(define (square-list src)

??????(map square src))

由于高階函數在操作邏輯抽象方面的強大與便利，很多人開始尋求在“主流”的過程式語言中將操作當作一等公民對待，進而實現高階函數。譬如說，C#以delegate的形式允許將方法作為參數或返回值傳遞，并且在List<T>類型中加入了find等高階操作；Java世界的FunctionalJ（http://functionalj.sourceforge.net/）則在Java5提供的泛型基礎上提供了filter、map等常用的列表操作。前面的例子如果用FunctionalJ來實現，就可以寫成：

// double and square are Function instances

List<int> doubleList(List<int> src) {

??????return Functions.map(double, src);

}

List<int> squareList(List<int> src) {

return Functions.map(square, src);

}

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3、優勢與不足

“不區分數據與操作”這句話說起來很簡單，其實背后蘊含著一個重要的哲學問題，即“什么是時間”的問題。按照過程式編程的理念，“時間”是操作內部的一個變量，程序以局部變量的形式記錄系統在各個時間點的瞬時狀態；而按照函數式編程的理念，“時間”是操作外部的變量，以參數的形式傳入函數，函數內部則沒有局部狀態，更沒有賦值操作。或者更簡單一點說，在任何時候用同樣的參數調用同一個函數，必定會得到同樣的結果。這種性質被稱為“引用透明”。如果操作不具備引用透明性，就不能將它作為參數或返回值傳遞，因為調用環境和順序都可能改變高階函數的結果。

具備引用透明性的程序還有一項額外的好處：它們天生地具有線程安全性。不論有多少條線程、以什么順序訪問，只要程序具有引用透明性，就不需要額外的線程同步機制來保證結果正確。在同時面向眾多用戶的服務器端應用、尤其是web應用中，這一點顯得特別重要。Rod Johnson在他的《J2EE Development without EJB》一書中提倡“無狀態的Java服務器端應用”，企業應用的開發者們也從函數式編程的思想中受益匪淺。

據說LISP當初的發明頗有些無心插柳的味道：McCarthy只實現了一個基于lambda運算的抽象語法就把它扔到一邊，而他的學生們卻發現在這樣極簡的語法中寫程序別有一番樂趣。有人說計算機科學家是一群喜歡歸約的人，LISP的發明卻是從實踐的角度證明：基本上所有的程序結構都可以歸約為lambda運算。按照Alonzo Church發明的丘奇代數（Church Calculus）理論，一切可以有效計算的函數——包括定值函數——都可以用lambda運算來定義。譬如說，數據“0”和操作“加1”可以用lambda運算定義如下：

(define zero (lambda (f) (lambda (x) x)))

(define (add-1 n)
? (lambda (f) (lambda (x) (f ((n f) x)))))

在此基礎上，就可以用lambda運算定義整個自然數系。這是一個極端的例子。在別的很多地方，LISP/Scheme也能夠以類似的方式剖析我們習以為常的概念，讓我們獲得更加深入的洞見。譬如在SICP第二章“構造數據抽象”中，我們親眼看到：平時所說的“面向過程編程”與“面向對象編程”，在很大程度上無非是使用同一組lambda運算的不同語法糖而已。熟悉面向對象的程序員在學習Scheme時，常常會因為跨越了“數據”與“操作”的鴻溝而獲得一些全新的理解。再加上Scheme的語法極其簡單，最常用的關鍵字大概不超過5個，所以作為教學語言有著得天獨厚的優勢——不少學校采用Java作為大學生的編程入門語言，當你看著這些可憐的學生在兩個月之后還在與“匿名內部類”之類詭異的語法和“IO流裝飾器”之類復雜的類庫糾纏不清時，你不難理解我的意思。

但這種簡單性也成為Scheme在企業應用中推廣的最大障礙：企業應用需要的不是許多種優雅的可能性，而是一種可行的解決方案。雖然PLT等Scheme實現版本提供了XML、servlet等工具庫，但過于靈活的語法、最佳實踐的缺乏、以及沒有大廠商的支持，都讓Scheme終于無法成為企業應用的主流。不過，盡管幾乎沒有真正的應用，來自函數式編程的理念還是啟發著企業應用的開發者們。譬如WebWork2.2引入的continuation特性，就是來自函數式編程的概念。

最后——但并非最不重要的——應該說明：雖然很少在企業應用中見到蹤影，但LISP/Scheme在科學計算、人工智能、數學建模等領域的運用非常廣泛，所以把它稱作“小語種”多少有些不太公平。整體而言，LISP/Scheme強于算法邏輯的編寫，而不善于I/O操作。我們當然可以說這是它失意于企業應用領域的原因，但又何嘗不可以是它的結果呢？

總結

以上是生活随笔為你收集整理的函数式编程语言：LISP/Scheme 小语种简介的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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