本文章可以跟视频课程一起看,做了一些补充说明
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I - 概述
本节主要介绍 Scheme 的基础,包含以下四个部分:
- 两种数据结构点对 (Pairs) 和 表 (Lists),以及如何创建
- Loops
- 两种特殊的过程 (Procedures) Map 与 Fold
- 注意
Scheme 是一种函数式编程语言,什么意思呢?就是说它的参数可以为函数,返回值为函数,而且必须有返回值,若没有返回值,则接连的函数式无法继续执行下去。前一个函数的结果为后一个函数的参数。
而且 Scheme 是一种脚本语言,也就是类似 Python 需要解释器。不同于编译语言和伪编译语言。
II - 数据结构
2.1 - 点对 Pairs
(cons 1 2)
上述代码是调用过程 (Procedure) 的方式,( + 过程名称 + 参数 + ) , 过程与函数类似,调用过程可以理解为调用函数,这里过程名为 cons 用于创建点对,此调用结果为:
(1 . 2)
也可以使用嵌套的过程
(cons (cons 1 2) 3)
; ((1 . 2) . 3)
定义符号 (Symbol),使用 define 过程,定义符号 foo 为点对 (1 . 2)
(define foo (cons 1 2))
foo
; 检查 foo 输出 (1 . 2)
点对包含两个域 car 和 cdr
有两个同名的过程:car
获取数据对象中的第一个元素cdr
获取数据对象中的第二个元素
(car foo)
; 1
(cdr foo)
; 2
符号 foo 中第一个元素为 1 ,foo 中第二个元素为 2,car / cdr 过程不一定获取的是数据对象中的单个元素,也可以是复合的结构。
2.2 - 表 Lists
2.2.1 - 单元素表和空表
我们使用前一小节点对中的 cons 过程,构建一个特殊的点对,它的两个域,一个为 1 ,另一个为 null 也就是空,得到只有一个元素的点对,也是只包含一个元素的表。
(cons 1 null)
; (1)
定义 bar 符号为只有一个元素的点对,对其进行 car, cdr 操作
(define bar (cons 1 null))
bar
; 检测 bar 得到结果 (1)
(car bar)
; 1
(cdr bar)
; ()
空的括号 ()
是另一种表示 null 的形式,也是一个不包含任何元素的表。也就是说任何一个表最后一个元素都为 null 。
当我们对解释器输入这个特殊的符号 null 时,我们同样得到 空表
null
; ()
2.2.2 - 复合操作
(cons 1 (cons 2 null))
; (1 2)
创建一个包含 2 和 null 的点对,接着创建一个点对元素为 1 和刚刚创建的点对。获得一个点对 (1 2),但解释器表示为包含元素为 1 和 2 的表,也就是说表结构为很多点对的集合。
(cons 1 (cons 2 (cons 3 null)))
; (1 2 3)
使用 (cons 2 (cons 3 null))
可以获得一个包含 2 和 3 的表,使用结果作为右域与元素 1 创建点对,得到 一个包含元素为 1 2 3 的表。
定义一个符号 mylist 为包含元素 1 2 3 的表
(define mylist (cons 1 (cons 2 (cons 3 null))))
mylist
;(1 2 3)
(car mylist)
;1
(cdr mylist)
;(2 3)
对 mylist 应用 car 得到此表的第一个元素
对 mylist 应用 cdr 则得到所有剩下的元素
(cadr mylist)
; 2
cadr 表示首先进行 cdr ,然后进行 car
即
(car (cdr mylist))
cdr mylist 得到子表 (sublist) :(2 3)
接着 对此子表应用 car,也就是获取此子表的第一个元素,即 2
同样的
(caddr mylist)
; 结果为 3
cdr mylist 为 (2 3) ,对结果再次 cdr 为 3,car 此结果即为 3
速记:复合的左右域操作,顺序为从右向左。
2.2.3 - list 过程
我们也可以使用前一篇文章中见到的 list 过程来创建表。
(equal? (list 1 2 3) mylist)
过程 list 用于构建表,equal? 用于比较两个元素内容是否相等,比较使用 list 过程构建的表和使用 cons 构建的表是否相同,得到结果
#t
在 Scheme 中布尔值有两个 #t 和 #f , #t 表示 true, #f 表示 false
注意跟 C 语言或其他编程语言不一样的是if (0)
与 if (#f)
不等价 if (0)
会进入 if 分支,if (#f)
则不会,
(list-ref lst n)
list-ref 是一个用于获取表中第 n 个元素的过程
(list-ref (list "a" "b" "c") 1)
; "b"
(list-ref (list "a" "b" "c") 2)
; "c"
list-ref 过程有两个参数,第一个参数为表,第二个参数为表中的第 n 个元素,与 C 语言相同,计数从 0 开始,当计数为 1 时,获取表中第二个元素,即 "b"
, 当计数为 2 时,则获取表中第三个元素,也就是 "c"
。
III - Loops
如何简略地实现 list-ref 过程?
(define (my-list-ref lst n)
(if (zero? n) ; 如果 n 为 0
(car lst) ; 返回 lst 的第一个元素
(my-list-ref (cdr lst) (- n 1))))
; 否则进行递归操作,获取 lst 除第一个意外子表的第 n-1 个元素
(my-list-ref (list "a" "b" "c") 1)
; "b"
(my-list-ref (list "a" "b" "c") 2)
; "c"
调用实现方式比较粗糙的 my-list-ref 过程,在参数相同时,得到相同的运行结果
此种实现方式被称为 "Loops" ,在其他的编程语言中称为 loop(循环)或 recursion(递归)
IV - 两种特殊的过程
4.1 - Map
(map procedure lst)
map 过程对参数表 lst 中的每一个元素应用过程 procedure 。
; 定义一个符号 baz 内容为包含 1 2 3 三个元素的表
(define baz (list 1 2 3))
; 定义一个过程 double ,结果为入参乘以 2
(define (double x) (* x 2))
(map double baz)
; (2 4 6)
对表 (1 2 3) 中的每一个元素应用 double 过程得到结果 (2 4 6)
; 定义一个过程 double-all
(define (double-all x) (map double x))
(double-all baz)
; (2 4 6)
这次只需要调用一个过程就可以得到相同的结果。
那么我们如何简略地实现 map 过程呢?
(define (my-map fn lst)
(if (null? lst)
null
(cons (fn (car lst)) (my-map fn (cdr lst)))))
(my-map double baz)
; (2 4 6)
my-map 的实现也是通过构建递归,首先如果为空则返回空,
if (null? lst)
null
判断是否为空 返回 null ,这里这里不仅是特殊情况处理,也是递归结束条件,如果处理到最后一个元素 (根据本文前面的内容,list 的最后一个元素为 null),则返回 null 结束
不为空 就会创建一个点对,此处应用到了 2.2 节中可以使用 cons 过程创建 list (表) 的内容
(cons (fn (car lst)) (my-map fn (cdr lst)))
生成表第一个元素为对表的第一个元素应用 fn ,(cdr lst)
获取除了第一个元素外,lst 中剩余的所有元素 因此,生成表的第二个元素也会获取原表第二个元素,并对此元素应用 fn ,依次类推。即对表中的所有元素都应用了 fn 。
4.2 - Fold
(define qux (list 1 2 3 4))
; 定义符号 qux 内容为 (1 2 3 4) 的表
(foldr + 0 qux)
; 结果为 10
调用 foldr 过程有三个入参, + 0 qux,0 为起始元素,然后将 0 与 qux 中的元素从后向前依次累加,即:
0 + 4
4 + 3
7 + 2
9 + 1
结果为 10
foldr 表示 fold up 堆叠,从最后一个元素开始一个一个叠起来。
有一些类似 C++ 标准库的 std::accumulate
函数,累加 需要指定初始值,因此
; 指定初始值为 2000
(foldr + 2000 qux)
; 结果为 2010
foldr 不仅可以指定累加 还可以指定其他过程,如
(foldr * 1 qux)
; 结果为 24
计算过程为:
1 * 4
4 * 3
12 * 2
24 * 1
结果为 24
同理
(foldr * 0 qux)
; 0
对于 map 同样的操作,我们如何实现 foldr
(define (my-foldr fn start lst)
(if (null? lst)
start
(fn (car lst) (my-foldr fn start (cdr lst)))))
(my-foldr + 0 qux)
; 10
(my-foldr * 1 qux)
; 24
首先判断是否为 null 与 my-map 一样,既是特殊情况处理,又是结束条件,返回 start
(fn (car lst) (my-foldr fn start (cdr lst)))
其他情况返回 计算 fn (第一个元素,剩余元素 与 start 元素fn 的结果) 。剩余元素仍然是 lst 则 返回 第二个元素与剩余元素 加 start 元素 fn 的结果...
以此类推,递归到最后一个元素时,则计算 最后一个元素 与 start 元素 fn 的结果。并返回上层调用,计算倒数第二个元素与这个结果的 fn 的值,然后返回更上一层调用...
举例 如果 lst 表中有两个元素 (1 2) , fn 为 +
则递归过程展开
(+ 1 (my-foldr + start (cdr lst)))
; 再展开
(+ 1 (+ 2 start))
; 即 start + 2 + 1
V - 注意事项
mzscheme 称空为 null ,其实是 nil
(define nil null)