David Cooper：basic Lisp Techniques@2003

Common Lisp (CL) 是一種功能強大、靈活且具有高度適應性的高階程式語言，其核心論點與優勢可從以下幾個面向進行詳盡闡述：

1. Common Lisp 的卓越能力與廣泛適用性

文本開宗明義指出，電腦軟體已滲透日常生活的各個層面，且人們對技術的期望不斷提高。然而，程式設計師和開發人員的供應卻遠不及需求的增長，同時資金不再無限，投資者要求快速看到成果。在此背景下，Common Lisp 被視為能夠應對這些挑戰的少數語言和開發選項之一。

  • 應對複雜問題的利器： Common Lisp 因其強大、靈活和「即時」變更的能力，在需要解決複雜問題的領域扮演著越來越重要的角色。生物資訊學、排程、資料探勘、文件管理、企業對企業 (B2B) 和電子商務等領域的工程師都轉向使用 CL 來按時並在預算內完成應用程式。這表明 CL 不僅適用於學術研究，更在實際的商業應用中展現出其解決複雜性的獨特優勢。
  • 加速開發週期的選擇： 除了複雜問題，對於中等複雜度但對快速開發週期和客製化有嚴格需求的應用程式，CL 也是理想的選擇。相較於傳統的「編譯-連結-執行-測試」開發週期，CL 的互動式環境允許開發者即時修改和測試程式碼，顯著提高了開發效率並保持思緒的連貫性。這種開發模式節省了大量的時間和人力。
  • 超越模仿者： 文本提到 Perl、Python、Java、C++、C# 等其他語言試圖模仿 Lisp 的部分強大特性，但其實現往往較為脆弱（brittle）。這暗示了 Lisp 的核心設計有其獨到之處，難以簡單複製。本書的目的之一便是展示 CL 優於這些模仿者的特性。許多財星 500 大公司在處理 24/7 尖端、任務關鍵型應用程式時，只信任 Lisp，這也間接證明了 CL 在企業級應用中的可靠性和高效性。文本甚至誇口使用 CL 可以將生產力提高 3 到 10 倍。
  • 程式碼生成程式碼的能力 (CASE 的新紀元)： 與傳統的電腦輔助軟體工程 (CASE) 工具不同，傳統 CASE 工具在生成程式碼後往往無法完全滿足領域特定的細節和客製化需求，導致開發者必須手動編寫剩餘程式碼，打破了 CASE 模型與程式碼之間的連結。CL 的遞歸特性及其分層構建應用程式和「自我構建」的能力（程式碼編寫程式碼，再由這些程式碼編寫更多程式碼），使其成為一個更優越的軟體工程解決方案。CL 程式（通常在編譯時）可以生成其他的 CL 程式，允許開發者使用統一的高階語言定義應用程式的所有部分。透過宏 (macro) 和函式 (function)，CL 系統可以自動將高階語言編寫的應用程式轉換為「最終」程式碼，無需中斷連結。因此，CL 既是程式語言，也是強大的 CASE 工具。

2. 現代 Common Lisp 的效能與資源管理

關於 Lisp 程式「過於龐大且緩慢」的常見批評，文本明確指出這可能是二十年前的情況，但「今天絕對不是如此」。

  • 硬體不再是瓶頸： 現代廉價的商用電腦擁有比五年前最強大機器更多的記憶體，足以滿足典型 CL 應用程式的計算需求。硬體不再是關鍵限制因素，開發者和開發時間才是。
  • 編譯器優化： 文本提到 CL 程式可以被編譯成接近原生機器碼的 .fasl 檔案。相較於 Java 的 .class 檔案（通常是位元組碼），CL 的編譯結果通常執行速度更快。雖然這意味著 CL 程式需要針對不同機器類型單獨編譯，但在效能關鍵的應用中，這是顯著的優勢。
  • 自動記憶體管理 (垃圾回收)： CL 內建自動記憶體管理和垃圾回收 (Garbage Collection, GC) 機制，這是其基礎架構固有的特性。這使得開發者無需手動管理記憶體的分配與釋放，大幅減少了記憶體相關錯誤的風險，並加速了開發過程。雖然某些操作可能會產生大量的「垃圾」（consing），但現代 CL 實現的垃圾回收器非常高效，且 CL 提供工具（如 Profiler）來識別和優化這些「cons」操作。

3. Common Lisp 的互動式開發模式

Common Lisp 的開發模式是其與其他語言顯著區別的特徵，其核心是讀取-求值-列印循環 (Read-Eval-Print Loop, REPL)。

  • 即時回饋與迭代： 在 CL 環境中，開發者可以直接在 REPL 中輸入程式碼片段，CL 會立即讀取、求值並列印結果。這種即時回饋使得開發者可以快速測試想法、偵錯和迭代開發。
  • 告別傳統開發週期： 傳統語言的「編譯-連結-執行-測試」週期需要額外的步驟和時間，中斷了程式設計師的思緒流程。CL 的 REPL 模式消除了這些中間步驟，允許開發者在單一環境中無縫地編寫、測試和修改程式碼。文本特別強調了這種模式在節省開發時間方面的巨大潛力。
  • 強大的環境整合： 結合強大的文字編輯器（如 Emacs）和 CL 實現提供的介面（如 Allegro CL 的 Emacs-Lisp 介面），可以建立一個功能齊全的整合開發環境 (IDE)。在這個環境中，開發者可以直接從編輯器緩衝區編譯和載入程式碼，查詢 CL 物件的資訊，啟動多個 REPL，並進行偵錯。這種緊密的整合進一步提升了開發效率。

4. 豐富且強大的開發環境與介面能力

Common Lisp 提供了一個內建功能豐富的環境，並具備與外部世界互動的強大介面能力。

  • 內建標準功能： CL 包含許多在其他語言中非標準或需要額外函式庫的功能和資料結構，例如完整的符號表 (symbol table)、套件系統 (package system)、雜湊表 (hash table)、列表結構以及全面的物件系統 (CLOS)。這些「自動」提供的功能節省了開發者重新創建它們所需的大量時間。
  • 偵錯與錯誤處理： CL 提供了先進的偵錯和錯誤處理能力。當程式發生錯誤時，通常會觸發一個「中斷」(break)，CL 會印出錯誤訊息，進入偵錯器 (debugger)，並提供多個可能的「重啟」動作 (restart actions)。偵錯器本身就是一個 REPL，允許開發者檢查程式狀態、修改變數值並嘗試恢復執行。常用的偵錯命令包括 :reset (返回頂層)、:pop (返回上一級)、:continue (繼續執行)、:zoom (查看呼叫堆疊) 等。CL 同時支援解釋器 (interpreted code) 和編譯器 (compiled code)，解釋器模式對於偵錯特別有用，因為它保留了更多原始程式碼的資訊。
  • 程式碼分析： CL 提供了程式碼性能分析工具，最基本的是 time 宏，用於測量程式碼執行時間。更進階的 Profiler 套件可以監控程式的詳細行為、時間消耗和記憶體使用。
  • 專案管理與部署： 對於大型專案，CL 提供了管理程式碼庫的技術。defsystem 工具類似於 make，用於指定檔案的編譯和載入順序。CL 實現也提供實用函數如 excl:compile-file-if-needed。為了方便部署，可以將多個編譯後的 .fasl 檔案合併為一個單一檔案，或創建包含整個 CL 環境和應用程式的映像檔 (image file，例如 .dxl)。對於最終用戶應用程式，可以構建僅包含運行應用程式所需資訊的運行時映像檔 (runtime images)，實現獨立分發。應用程式啟動時可以指定載入特定的初始化檔案。
  • 與外部系統互動： 現代商業 CL 實現提供了與外部環境互動的豐富介面：
    • 作業系統介面： 執行作業系統命令 (如 excl.osi:command-output)。
    • 外部函式介面 (FFI)： 載入並呼叫 C/C++/Fortran 等編寫的函式庫程式碼。
    • Corba 介面： 透過 Corba IDL 編譯器和 ORB 與不同語言編寫的物件系統通信。
    • Socket 連接： 實現自定義的網路伺服器和客戶端。
    • Windows 特定介面： 在 Windows 平台支援 COM、DLL、DDE 等。
    • 程式碼生成到其他語言： CL 可以分析和生成其他語言的程式碼。
    • 多處理： 透過線程 (thread) 或進程 (process) 實現並行執行，並使用 Process Locks 控制並發訪問。
    • 資料庫介面： 連接關係型資料庫，如 ODBC 或 MySQL。
    • 網路應用： AllegroServe 等 Web 伺服器用於構建 Web 應用，HTMLgen 用於生成 HTML，還提供了 Web 客戶端和 HTML 解析器。
    • 正規表達式： 高效處理字串中的模式匹配、搜索和替換。
    • 電子郵件： 透過 SMTP 發送郵件，透過 POP/IMAP 接收郵件。

5. Common Lisp 的語言基礎與簡潔語法

Common Lisp 的語法雖然初看起來與眾不同，但其基礎非常簡單且一致。

  • S-expression 與前綴表示法： CL 的所有程式碼都由列表 (list) 組成，即所謂的 S-expression (Symbolic Expression)。函式呼叫或其他操作通常寫成 (操作符 參數1 參數2 ...) 的形式，這是一種廣義的前綴表示法。操作符通常是符號，後面的參數是需要先求值的表達式。這種一致的語法規則簡潔明瞭，與 C、Java 等混合了前綴、中綴、後綴的語言形成對比。
  • 求值規則與引用： CL 對表達式的求值遵循簡單規則：數字和字串求值為自身；符號預設作為變數求值（除非是列表中的第一個元素，此時作為函式或宏求值）；列表則將第一個元素視為操作符並對其餘元素求值後傳入。特殊操作符 quote (縮寫為 ') 可以阻止表達式的求值，使其作為字面值處理，例如 '(+ 1 2) 返回列表 (+ 1 2) 而不是求值結果 3。
  • 核心資料型別： CL 支援標準資料型別（數字、字串、陣列）以及 Lisp 特有的資料型別：
    • 符號 (Symbols)： CL 的「符號計算語言」之稱源於對符號的重視。符號不僅有名字，還有函式槽 (function slot)、值槽 (value slot) 和屬性列表槽 (property list slot)。符號在列表中作為第一個元素時指向其函式槽；作為其他元素時預設指向其值槽（作為變數）。CL 的符號設計允許多個實體（函式、變數、屬性）與同一個符號名相關聯，避免了其他語言中的保留字衝突問題。
    • 列表 (Lists)： 列表是 CL 的核心資料結構，也是程式碼本身的表現形式。這使得 CL 程式能自然地處理或生成其他 CL 程式，是其元程式設計 (metaprogramming) 能力的基礎。列表由括號 () 包圍的零個或多個元素組成。元素可以是任何 CL 物件。
  • 變數與作用域： 全域變數通常稱為特殊變數，使用 defparameter 或 defvar 定義，習慣上用星號 * 包圍變數名。defparameter 會覆寫現有值，而 defvar 不會。setq 用於修改變數的值。局部變數使用 let 引入，具有詞法作用域 (lexical scope)，其可見性僅限於 let 結構的語法體內。當局部變數名與全域特殊變數名相同時，let 會創建一個動態作用域 (dynamic scope)，使得該變數在 let 體內及其呼叫的函式中具有局部值，而其他地方不受影響。動態作用域在多線程環境中尤其有用。
  • 控制流程宏： CL 提供多種控制求值順序的宏，如 if (三參數條件判斷)、when (只有「則」分支的條件判斷，支持多個求值形式)、and (邏輯與，短路求值)、or (邏輯或，短路求值)、not (邏輯非)、cond (多重條件判斷，類似其他語言的 else if 鏈) 和 case (基於值的選擇)。progn 宏用於將多個表達式組合在一起求值並返回最後一個表達式的值。
  • 列表操作： CL 內建豐富的列表操作函數，包括訪問元素（first, rest, nth）、判斷（null, listp, member）、修改（cons – 非破壞性添加元素至列表頭, append – 非破壞性連接列表, remove – 非破壞性移除元素）、重排（sort – 破壞性排序）、集合操作（union, intersection, set-difference）以及應用函數於列表元素（mapcar）。
  • 函式作為物件： CL 允許將函式本身視為資料物件。符號的函式槽存儲了實際的函式物件，可以使用 symbol-function 或縮寫 # 訪問。funcall 函數接受一個函式物件及其參數並執行該函式。函式可以作為其他函式的參數傳遞，這就是所謂的高階函式。CL 還支持匿名函式（lambda 表達式），用於定義不需命名的臨時函式物件。函式定義支持選用參數（&optional）和具名的關鍵字參數（&key），提高了函式的靈活性。
  • 輸入/輸出與 Stream： 輸入/輸出通過 Stream 物件進行。Stream 是數據的來源或目的地（如終端、檔案、網路連接）。CL 定義了標準 Stream 變數（*standard-input*, *standard-output*, *terminal-io*）。read 從 Stream 讀取一個 Lisp 物件，read-line 讀取一行文字。print, prin1, princ 將 Lisp 物件的列印表示輸出到 Stream，format 提供了強大的格式化輸出能力。pathname 系統提供了一種與作業系統無關的方式來表示檔案路徑。with-open-file 宏是處理檔案輸入/輸出的標準方式，確保檔案被正確打開和關閉。
  • 其他資料結構： 除了列表，CL 還提供了雜湊表（make-hash-table, gethash, setf），用於高效的鍵值查找；陣列（make-array, aref, setf），用於多維數據存儲；結構（defstruct），用於定義具有命名槽的自定義數據結構。
  • Common Lisp 物件系統 (CLOS)： CLOS 為 CL 增加了完整的物件導向程式設計能力，包括類 (Class)、物件 (Object) 和方法 (Method)。CLOS 是一個泛型函式 (generic function) 系統，方法獨立於類存在，可以基於多個參數的類別類型進行特化（多重方法, multimethods）。CL 的基本資料型別也被視為類，因此可以為數字、字串等定義特化的方法。
  • 套件 (Packages)： 套件是 CL 中的命名空間機制，用於組織符號並避免名稱衝突。套件名通常用關鍵字符號表示（如 :user, :keyword）。不同套件中的符號可以通過「導入」(import) 和「匯出」(export) 機制互相引用，或使用包名和冒號限定符（如 package-name:symbol-name, package-name::symbol-name）來引用其他套件的符號。:keyword 套件包含了所有以冒號開頭的關鍵字符號，它們是「包免疫」的，常用於列舉值和關鍵字參數。

6. 標準化與長期穩定性

Common Lisp 在 1995 年獲得 ANSI 認證，成為第一個獲得此認證的物件導向語言，這為開發者提供了重要的保障。

  • 保護開發者投資： 語言的官方標準化意味著不同實現之間具有高度兼容性，開發者編寫的符合標準的程式碼在不同的 CL 系統上都能運行，並且在新版本發布時，現有應用程式成為「遺留應用程式」的風險較低。這與 Perl 等非標準化語言形成對比，後者不同實現之間的行為差異可能導致應用程式只能運行在過時的版本上，難以在任務關鍵型商業環境中使用。
  • 可靠的基礎： 作為一個標準化且歷史悠久的語言，Common Lisp 擁有穩固的基礎和成熟的生態系統，儘管使用者群體可能不如 Java 或 Python 那麼龐大，但其核心特性和實現的穩定性使其成為構建嚴肅應用程式的可靠選擇。

總結來說，Common Lisp 是一個功能深度與廣度兼備的強大程式語言。其獨特的互動式開發模型、靈活的語法、豐富的內建功能、強大的元程式設計能力以及與外部世界的廣泛介面能力，使其特別適合於處理複雜問題、需要快速迭代開發以及構建大型、彈性且可長期維護的應用程式。雖然其語法和某些概念對初學者來說可能需要時間適應，但一旦掌握，它能極大地提升開發者的生產力和解決問題的能力。文本透過介紹其核心特性、開發環境、偵錯工具以及與其他系統的介面，力圖說服有經驗的程式設計師認識到 Common Lisp 的價值，並將其視為應對當代軟體開發挑戰的有力工具。