《On Lisp》主要論點闡述

保羅·格雷厄姆的《On Lisp》一書的核心主旨是闡釋 Common Lisp 作為一種「可程式化的程式語言」（programmable programming language）的獨特能力。這門語言的設計允許程式設計師不僅僅是使用語言來編寫程式，更能修改和擴展語言本身，使其更好地適應特定的問題域，進而實現更為優雅、高效且易於維護的軟體。這本書透過深入探討函數、宏以及在這些基礎上構建的高級抽象，全面展示了 Lisp 的這種強大潛能及其所催生的「自底向上」程式設計方法。

1. Lisp 的核心：可擴展性與自底向上設計

本書開宗明義地指出，Lisp 與其他程式語言的根本區別在於其無與倫比的可擴展性。Lisp 本身就是用 Lisp 編寫的，且 Lisp 程式的表現形式（列表）同時也是 Lisp 的數據結構。這種同像性（homoiconicity）使得 Lisp 程式可以像數據一樣被操縱，尤為重要的是，可以編寫程式來生成或轉換程式碼。這種能力使得程式設計師能夠為語言添加新的操作符，而這些操作符與內建操作符享有同等地位。

這種可擴展性直接導向「自底向上」的程式設計方法。傳統的「自頂向下」方法是先進行全面規劃，再逐步細化實現；而自底向上則鼓勵程式設計師在解決問題的過程中，同步構建一套更適合該問題領域的程式語言或抽象層。程式設計師會根據程式需求，創建新的函數或宏，將通用模式抽象化，使底層語言更貼近問題的表達方式。最終的程式碼更精煉、更接近問題本身的邏輯，因為大量通用的或領域特定的邏輯已被「推」入到底層的擴展語言中。這種方法論的優勢在於：

• 適應複雜和變化的需求： 對於需求不明或不斷演進的複雜軟體，先規劃再實施可能失效。自底向上允許邊寫程式邊設計，通過不斷迭代和重構語言與程式的邊界，使設計與實現更緊密地結合。
• 代碼重用： 開發過程中創建的通用或領域特定的抽象（函數和宏）可以在同一個專案的不同部分或不同的專案中重複使用，隨著時間推移，可以積累一套強大的工具庫。
• 提高程式碼的表達力和清晰度： 通過創建更高級的抽象操作符，程式碼可以更直接地表達其意圖，減少重複和低層次的細節，提高可讀性。

2. 基石：函數作為第一類對象

Lisp 中函數作為第一類對象是實現許多高級抽象的基礎。這意味著函數可以：

• 儲存和傳遞： 函數可以被賦值給變量，儲存在數據結構中，並作為參數傳遞給其他函數（高階函數）。例如，mapcar、remove-if 等內建函數利用這一點實現通用列表操作。程式設計師也可以創建自己的高階函數來抽象重複的行為模式。
• 作為返回值： 函數可以生成並返回新的函數（函數生成器）。結合詞法作用域（Common Lisp 的默認行為）和閉包，返回的函數可以「記住」其創建時環境中的變量綁定，從而攜帶局部狀態或根據參數定製行為，這為創建靈活且帶有狀態的抽象提供了基礎。

3. 核心工具：巨變的推手——宏

雖然函數提供了強大的抽象能力，但許多語言擴展和語法抽象必須依賴宏。宏是 Lisp 中實現程式碼轉換的工具，它們在程式被編譯或求值之前運行，接收宏調用的程式碼作為輸入，並生成新的程式碼作為輸出。這使得宏能夠改變程式碼的結構和求值方式，實現函數無法做到的能力：

• 控制參數求值： 宏可以完全控制其參數的求值方式。與函數不同，宏可以選擇不求值參數、多次求值參數，或根據條件選擇性地求值參數。這對於實現新的控制結構（如 when、unless、循環宏 while、for、do 的變體）至關重要。
• 注入程式碼到調用環境： 宏的展開程式碼直接插入到宏調用的位置。這使得宏可以利用或修改調用環境的詞法作用域，例如創建新的局部變量綁定（如 let 的宏實現）或引用調用環境中的特定符號（如 anaphoric 宏）。
• 編譯期計算： 宏展開發生在編譯階段。如果宏的邏輯可以依賴於宏參數的結構或在編譯時已知的值，這部分計算就可以提前完成，從而生成更高效的運行時程式碼，例如在編譯期計算常量、展開循環等。
• 實現語法轉換與抽象： 宏最根本的作用是實現程式碼的語法轉換。通過宏，程式設計師可以創建新的語法結構，將複雜或重複的程式碼模式轉換為更簡潔、更具表達力的新語法，例如定義自己的 with- 宏來創建特定的上下文環境，或者實現更通用的廣義變量操作符。

4. 編寫宏的挑戰與技巧

宏的強大能力伴隨著編寫時需要注意的潛在陷阱：

• 變量捕捉（Variable Capture）： 宏展開生成的程式碼中的符號，可能意外地與調用環境中的符號同名，導致符號的綁定或引用不符合預期。這是宏編寫中最常見且難以偵測的錯誤之一。應使用 gensym 生成唯一的符號，或小心處理宏參數和展開程式碼中的符號，以避免捕捉。雖然通常應避免變量捕捉，但有時也可被有意利用來實現特定的抽象。
• 參數求值問題： 宏展開的程式碼可能導致宏參數被求值多次或以非預期的順序求值。如果參數表達式有副作用，這可能導致程式行為異常。應確保宏展開程式碼能正確處理參數的求值次數和順序，通常通過引入臨時變量來儲存參數的求值結果。
• 非函數式的展開器： 宏展開器本身應盡量保持為純函數，其生成的展開程式碼僅依賴於宏參數，不受外部狀態或宏被展開的時間/次數影響，以確保程式碼的行為一致。
• 宏的遞歸： 直接在宏定義中進行程式碼遞歸（而非展開函數遞歸）可能導致宏展開永不終止，編譯失敗。

5. 高級抽象：從實用工具到嵌入式語言

利用函數和宏，程式設計師可以在 Lisp 中構建多個層次的抽象：

• 實用工具（Utilities）： 宏常用來實現通用或領域特定的實用工具，這些工具將程式中常見的模式抽象為簡潔的操作符，提高程式碼的整潔性和可讀性。
• 宏的生成器（Macro-defining Macros）： 當多個宏的定義本身呈現模式時，可以編寫宏來生成這些宏，進一步提高程式碼生成的抽象層次。
• 讀取宏（Read Macros）： 在程式碼被讀取階段進行轉換，允許創建新的語法元素和數據表示形式，進一步擴展 Lisp 的語法。
• 解構（Destructuring）： 作為賦值的廣義形式，允許方便地從列表、向量、結構體等數據結構中提取和綁定值到變量。通過宏，可以將解構能力擴展到任意序列或結構。
• 廣義變量（Generalized Variables）： 宏可以實現「可修改的場所」（setfable places），允許使用統一的 setf 語法修改數據結構的不同部分，並在此基礎上構建更豐富的操作符。
• 嵌入式語言（Embedded Languages）： 這是自底向上設計的最高體現。Lisp 作為基語言，其同像性、宏能力、以及可訪問的讀取-編譯-求值循環，使其成為實現嵌入式語言的理想平台。可以將特定領域的邏輯（如數據庫查詢、解析器、邏輯程式設計）作為嵌入式語言實現，通過宏將其語法轉換為 Lisp 程式碼，並利用 Lisp 編譯器對生成的程式碼進行優化。查詢編譯器、ATN 分析器和初步的 Prolog 實現，都展示了這種方法的強大。

6. 更抽象的控制流與對象系統

本書進一步展示，通過宏和閉包，可以在語言層面實現更複雜的控制結構和程式設計範式：

• 續延（Continuations）： Lisp 的詞法閉包和宏可以模擬續延，捕獲和保存程式執行狀態（包括調用棧的「未來」計算）。雖然宏實現的續延可能效率不如語言內建，但它們為實現高級控制結構提供了可行基礎。
• 非確定性（Nondeterminism）： 利用續延，可以實現非確定性的選擇操作符 (choose, fail)。這使得編寫搜索和推理算法時，可以採用更直觀、更接近問題描述的風格，而將回溯等確定性實現細節隱藏在抽象之下。ATN 和 Prolog 的實現大量依賴這種非確定性抽象。
• 面向對象編程（CLOS）： Common Lisp 對象系統（CLOS）並非傳統語言中獨立的面向對象模塊，而是建立在 Lisp 核心能力（函數、閉包、分派、宏）之上的宏和函數的集合。類、實例、方法、繼承、方法組合等概念在 Lisp 中有自然的對應，展示了 Lisp 作為一種可擴展語言，可以以獨特的方式實現和整合多種程式設計範式。方法的分派（Dispatching）基於參數類型，是 CLOS 的核心機制，也是 Lisp 函數能力的一種推廣。

結論

《On Lisp》的核心論點在於展示 Lisp 的可擴展性是其根本力量所在。這種力量透過函數和宏得到釋放，使得「自底向上」的程式設計方法得以實現。通過這種方法，程式設計師可以根據特定問題的需要，創建多個層次的抽象，從基本實用工具到完整的領域特定嵌入式語言和程式設計範式（如面向對象、非確定性邏輯程式設計）。本書詳細闡述了這些抽象的構建方式、涉及的技術細節和潛在挑戰，最終證明 Lisp 是一種能夠不斷演化和適應的語言，允許程式設計師以前所未有的方式塑造他們的工具和解決方案。