LISP 语言前传

Lisp 的主要设计者 John McCarthy 曾经就 Lisp 的发展史,专门写过一篇 History of Lisp 的文章。这里介绍的历史,基本史实部分参照了 John McCarthy 的这篇文章,以及同时期 MIT 的关于 Lisp 的技术报告。

Lisp 的历史要从 IBM 的神奇机器 704 说起。此时是 1954 年,尽管距离 1946 年第一台计算机 ENIAC 的出现已经八年了,商用计算机市场还仅仅起步。很早就进入计算机市场的 IBM 做出了一个影响深远的决定:发布一台可以进行浮点计算的,面向科学和工程的电子计算机。这台计算机,很朴素地跟着 IBM 之前发布的 701,702 后,被编号成 704(不知为什么 IBM 从来没公布过 703)。说 704 是神奇机器,是因为这台机器在计算机科学发展史上意义重大:世界上最早的语音合成程序就是由 Bell 实验室的科学家在 IBM 704 上完成的。 Fortran,Lisp 也是最早在 IBM 704 上实现的。

和当年的所有计算机一样,IBM 704 是个百万美元级别的大玩具,不是一般人甚至一般大学能够买得起的。好在 IBM 和大学的关系一向很紧密,在 1957 年的时候,决定捐一台 704 给 MIT。当时在 Dartmouth 教书的 John McCarthy 和在 MIT 教书的 Marvin Minsky 关系很好,因此这台即将到达的 704,即将成为 McCarthy 的新玩具。

当年部署一台计算机的周期很长,为了不让自己闲着,McCarthy 决定一边等机器部署,一边研究一下如果有了这台机器,可以做点什么。当时 Minsky 手里有一个 IBM 的项目,内容是使用计算机证明平面几何问题。既然计算机没来不能写程序,他们就只能从抽象的层面思考问题的解决方法。这个思考的结果,是开发一套支持符号计算的 Fortran 子系统。他们的基本想法是,用一系列的 FORTRAN 子程序,来做逻辑推理和符号演绎。

回头看,这条路的确绕开了没有 704 就写不了程序的路障。因为我们只需要大致了解 Fortran 能够做什么,不能做什么,无需实际 Fortran 编程,就可以假想我们已经有了一系列未来可以实现的子程序,然后只要在数学上证明这些通过子程序的组合,加上自动逻辑推理,就可以证明平面几何定理。这就把一个计算机工程学问题,抽象成了一个数学问题(日后这个领域被正式划归到人工智能的学科中,但在当时这还是属于数学问题)

这样,计算机没来之前,McCarthy 的最终结果,是一个用 Fortran 子程序做列表处理的简单系统。McCarthy 的这条路很现实的做法——如果不用 Fortran 而是自己写一个新的语言的编译器话,可能需要好几年的时间。而 McCarthy 当年还不是终身教授,投入到写作新语言这样旷日持久且不能保证成果的项目中去,不会对他的职业生涯有太大的正面作用。

704 送到 MIT 后, McCarthy 带着两个研究生,将之前计划的 Fortran 列表处理子程序实现了,并命名为 Fortran 列表处理语言 (FLPL) 。然而,因为 Fortran 语言本身的限制,McCarthy 对 FLPL 并不满意。他在写作自动求函数导数的程序时[a],发现 FLPL 的弱点集中体现在两个地方。

第一个问题是递归。我们在 Fortran 语言怎么来的这一节已经提到,704 上的 Fortran 语言是不支持递归的。而 McCarthy 心中所设想的语言,很重要的一条就是递归:没有递归,很多列表处理的函数只能用循环来实现,而循环本身并不是 McCarthy 设想的语言的一部分。熟悉函数求导的链式法则的读者可以想像,没有递归的求导程序是何其难写,因为函数求导过程本身就是递归定义的。

第二个问题是 Fortran 的 IF 语句。IF 家族的分支语句,在计算机程序设计中可以说必不可少。在 McCarthy 那里 IF 就更重要了,因为几乎所有有递归函数的地方就有 IF(因为递归函数需要 IF 判断结束条件)。相信读者都很熟悉这种 IF 结构

IF 条件 THEN
    一些语句;
ELSE
    另一些语句;
END IF

这是从 ALGOL 语言一脉相承下来的,很“自然”的 IF 写法。而早期的 FORTRAN 的 IF 写法却不这么直观,而是

IF (表达式) A B C

取决于表达式的值是小于零,等于零还是大于零,分别跳到(等价于 goto)标签 A, 标签B 或者标签 C。这个 IF 隐含了三个 Goto,可以说和结构化编程的实践截然相反,降低了程序的可读性。 Fortran 首创的这个三分支跳转的 IF 饱受诟病,Fortran 77 开始支持结构化的 IF,而 Fortran 90 标准进一步宣布三分支跳转的用法已经“过时”,不支持使用。

在 McCarthy 那里,Fortran 的三分支跳转 IF 也不方便。为此,在 FLPL 中,他试图用一个叫 XIF 子程序完成类似于 IF 的分支功能,用法是:

XIF(条件, 表达式A, 表达式B)

取决于条件的满足与否,XIF 返回表达式A 或者表达式B 的值。很快,他发现,用子程序的方法实现 XIF,在语义上并不正确。我们知道,在 Fortran 和其他高级语言中,函数参数的值在进入函数之前必须全部确定。在 XIF 这里,不难看出,不管条件满足与否,我们都先要计算表达式A 和表达式B 的值。而 IF 是个分支逻辑,从语义上来说,应该只计算满足条件的分支的值。因此,用函数来实现 IF 是不正确的 [b]。

作为一个旁注,尽管 John McCarthy 早在50多年前就发现了函数实现 IF 是语义错误的,现代的程序员还常常犯这个错误。一个值得一题的例子是 C++ 逻辑运算符重载和短路表达式的不等价性。我们都知道,在 C 语言中,逻辑与 (&&) 和逻辑或( || ) 都隶属于短路表达式,也就是说,对于 A && B 这样的表达式,如果 A 已经确定为 false,就无需计算表达式 B 的值,即 B 的计算被”短路”。以 C 为蓝本的 C++ 一方便保留了这些短路表达式,另一方面在面向对象的特性中,引入了运算符重载。具体来说,只要一个对象定义了 operator&& 成员函数,就可以进行 && 运算。乍一看,这是一个很酷的特性,可以让程序员用 A&&B 这样的数学表达式表达复杂的逻辑关系。然而,仔细想想,  A.operator&&(B) 在语义上并不等价于 C 所定义的 A&&B,原因在于 A.operator&&() 是个函数,在求值之前需要先计算 B 的值,而后者是个短路表达式,本质上相当于

IF A:
 return True
ELSE:
 return B
因为短路表达式不一定会对 B 求值,这两者从语义上就是不等价的。如果 B 不是一个简单的对象,而是一个复杂表达式的时候,对 B 求值可能有副作用,而这个副作用,是写 A && B 并把它当做短路表达式的程序员所没有预见的。按照 C++ Gotcha 的说法,这很容易造成潜在的程序 Bug。实际上,C++逻辑运算符重载是一个危险的特性,很多公司的编程标准都禁止使用逻辑运算符重载。

递归和 IF 两个问题,使得 Fortran 从本质上就不符合 McCarthy 期望,以 Fortran 为宿主的开发列表处理语言也不可能达到 McCarthy 想要的结果。因此,唯一的解,就是抛开 Fortran,从头开始,设计一个新的语言。值得注意的是,此时 McCarthy 正好跳槽到了 MIT 做助理教授,MIT 有足够多的编程强人,可以帮 McCarthy 完成这个编写新语言的任务。这个强人,就是 Steve Russell;这个语言,就是 Lisp。

[a] 读过 SICP 的读者会发现这是一道习题
[b] 读过 SICP 的读者会发现这又是一道习题

 

7 comments to “编程珠玑番外篇 -K. 高级语言是怎么来的-7”

  1. marine says:

    博主的排版真不错!另外,这些comments的头像都是从stack overflow那边搞来的吗?

  2. Snowqiang says:

    错字: 以 C 为蓝本的 C++ 一方便保留了 -> 以 C 为蓝本的 C++ 一方面保留了

  3. ppip says:

    留言支持一下~~~:D

  4. yoom says:

    哇哈哈,,,,
    居然可以直接访问你blog了!

  5. lulu says:

    aha, 你更新了:)

  6. 风间雨 says:

    呃…… 上一期好像已经写到K了
    编程珠玑番外篇-K. Plan 9 的故事(修订版)
    http://blog.youxu.info/2011/03/21/story-of-plan-9-revised/

  7. Eric says:

    测试留言功能!

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