НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЯЗЫКА
В программировании помимо процедурного подхода, представителями которого являются такие универсальные языки высокого уровня как Бейсик, Паскаль, Си, и логического подхода, представленного языком Пролог, существует еще одно направление - функциональное. Оно возникло в 1962 г. вместе с созданием Дж. Маккарти языка программирования Лисп (Lisp). Долгое время этот язык занимал особое место. Подавляющее большинство программ искусственного интеллекта составлено на языке Лисп. До сих пор он считается стандартным языком разработки систем искусственного интеллекта. Его популярность особенно велика в США. В нашей стране этот язык не получил широкого распространения (одна из причин - недостаток литературы о нем на русском языке), однако в настоящее время популярность этого языка быстро растет. Несмотря на то, что Лисп - один из самых старых используемых языков программирования, у него многое еще впереди.
Язык Лисп - один из первых языков обработки данных в символьной форме. Его название происходит от английских слов «list processing » - «обработка списков». В Лиспе и программа, и обрабатываемые ею данные представляются в одной и той же форме - в форме списка. Таким образом, программы могут обрабатывать и преобразовывать другие программы и даже самих себя.
Используемый в Лиспе, так называемый, функциональный подход к программированию основывается на той простой идее, что вся обработка информации и получение искомого результата могут быть представлены в виде вложенных и/или рекурсивных вызовов функций, выполняющих некоторые действия, так что значение одной функции используется как аргумент другой. Значение этой функции становится аргументом следующей и т.д. пока не будет получен конечный результат - решение задачи.
Программы строятся из логически расчлененных определений функций. Определения состоят из управляющих структур, организующих вычисления, и из вложенных вызовов функций. Основными методами функционального программирования являются композиция и рекурсия. Все это представляет собой реализацию идей теории рекурсивных функций.
Имеется большое число систем программирования на Лиспе, реализованных для компьютеров различных типов. Как правило, это интерпретирующие системы, работающие в интерактивном (диалоговом) режиме. Соответствующие описания и команды вводятся с клавиатуры после приглашения ("_"), затем прочитывается результат.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММЫ НА ЛИСПЕ. СПИСКИ
Программы на языке Лисп строятся из простейших неделимых элементов, называемых атомами. Символы и числа представляют собой атомы, из них состоят все остальные структуры.
Символ - это имя, состоящее из букв, цифр и специальных знаков, которое обозначает какой-нибудь предмет или действие из реального мира, а также число, функцию (программу) и другие объекты. Наряду с символами используются и числа (значения), которые могут быть целыми (например, 543), десятичными (например, 3.789) и в представлении с мантиссой и порядком (например, 1.0243Е-6).
Главной структурой в Лиспе является список.
Списком называется упорядоченная последовательность, элементамикоторойявляются либо атомы, либо списки (подсписки). Списки заключаются в круглые списки, аих элементы разделяются пробелами. Например,
(ab(cd)e)
(В группе 18 студентов)
(((((первый) 2) третий) 4) 5).
Список, в котором нет ни одного элемента, называется пустым списком и обозначается "( )" или специальным символом NIL. Список - это структура данных, представляющая некоторую иерархическую связь (дерево) с помощью строго соответствующих друг другу открывающих и закрывающих скобок.
Имеется и альтернативный способ записи списков - с использованием, так называемой, точечной нотации. Точка при этом отделяет начальный элемент списка -его голову - от остальной части списка - хвоста: (голова, хвост) или
(а1 а2 ... aN) = (а1. (а2.... (aN.Nil)...)).
Здесь Nil - это предопределенная константа, означающая пустой список (и одновременно логическое значение «Ложь»).
Атомы и списки называютсяS-выражениями. Все вышесказанное можно обобщить в следующих формах Бэкуса - Наура
<S-выражение> :: = <атом> | <список>
<список> :: = (<внутренняя часть>)
<внутренняя часть> :: = NIL | <S-выражение> [{внутренняя часть}}
<атом> :: = цепочка алфавитно-цифровых символов без пробелов или специальных символов (,);.
Списки в Лиспе - основное средство представления знаний. Например,с помощью вложенных списков может быть представлена характеристика человека:
(сотрудник
(имя Петр)
(отчество Петрович )
(фамилия Иванов)
( образование ( среднее (с 1969 по 1979))
(высшее ( ВГУ г.Воронеж (с 1979 по 1982)
(МГУ г. Москва (с 1982 по 1984)) ( специальность
(техническая кибернетика)
(программирование)
(стаж (с 1984 по 1997)
)
ФУНКЦИИ
Функции в Лиспе аналогично математическим функциям ставят в соответствие элементам из одного множества - определения (аргументов) - единственный элемент из множества значений. В программах следует различать определение функций и вызов (применение) функции.
В языке Лисп принята единообразная префиксная форма записи, при которой как имя функции или действия, так и аргументы записываются внутри скобок:
(f x)
(g x y) (сумма_квадратов 2 3).
Аналогично записываются и арифметические действия:
(+ х у)
(*x(+yz))
(+ (^ х х) (+ у у)).
Определение функций и их вычисление в Лиспе основано на лямбда-исчислении Черча. В 1-исчислении Черча функция записывается в виде
1(х1,х2,... ,xn) .fn
В Лиспе 1-выражение имеет вид (LAMBDA (xl, x2,..., xn).fn).
Символ LAMBDA означает, что мы имеем дело с определением функции. Символы xi являются формальными параметрами, они образуют список, называемый лямбда-списком; fn - это тело функции, которая может иметь произвольную форму, допускаемую интерпретатором Лиспа. Телом функции может быть, например, константа или композиция из вызовов функций. Функцию, вычисляющую сумму квадратов двух чисел, можно, например, определить так:
(lambda(xy)(+(*xx)(*yy))).
Лямбда-выражение - это безымянная функция, которая может быть использована для связывания формальных и фактических параметров на время вычислений. Вызов такой функции происходит по форме
(лямбда-выражение а1 а2 ... an)
Здесь ai - фактические параметры, с которыми происходит вычисление.
Например
((lambda (х у) (+ (* х х) (* у у))) 3 4).
Результат: 25.
Определить новую функцию и дать ей имя для последующих вызовов можно с помощью функции DEFUN (define function):
(DEFUN имя лямбда-список тело).
DEFUN соединяет символ с лямбда-выражением, и символ начинает представлять (именовать) определенные этим лямбда-выражением вычисления. Значением этой формы является имя новой функции:
(defun sumsquare (х у) (+ (* х х) (* у у))) .
Результат: sumsquare.
Вызов (применение) этой функции:
(sumsquare 34)
Результат: 25.
Определение функции задается списком, поэтому его можно модифицировать в ходе выполнения программы. Кроме того, некоторый символ может быть и именем функции и переменной.
В Лиспе передача параметров происходит по значению. Формальные параметры функций являются статическими и локальными, т.е. действительны только внутри той формы, в которой они определены.
Основу для построения различных функций образует набор небольшого числа примитивных встроенных функций. Базовыми функциями обработки S-выражений являются функции
CAR, CDR, CONS, ATOM, EQ, EQL, =
и другие, смысл которых отражен в табл. 7.1
Таблица 7.1
Базовые функции обработки S-выражений
| Функция | Вызов | Действие | Пример использования |
| CAR | (CAR список) | Возвращает головною часть списка - его 1-й элемент | (CAR(1 234)) Результат:1 |
| CDR | (CDR список) | Возвращает хвостовую часть списка- все. кроме 1-го элемента | (CDR(! 234)) Результат:(2 3 4) |
| CONS | (CONS S-выражение список) | Строит список из переданных в качестве аргументов головы и хвоста | (CONS I (2 3 4)) Результат: (1234) |
| ATOM | (ATOMS-выражение -) | Предикат; проверяет, является ли аргумент атомом, и возвращает либо t (истина), либо Nil или ("(ложь) | (ATOM A) : t (ATOM (1 2 3)): Nil |
| EQ | (EQ символ Символ) | Предикат: проверяет тождественность символов-аргументов, неприменим для чисел | (EQ A A): (EQ X (CAR (X Y Z))): t t |
| EQL | (EQL число число) | Предикат, проверяет тождественность чисел одного типа | (EQL 3.0 3.0): t |
| = | (= число число) | Предикат, проверяет тождественность чисел различных типов | (=30.3el):t |
| EQUAL | (EQUAL число или список число или список) | Аналогична EQL, но, кроме того, проверяет идентичность списков | (EQUAL(xyz)(xyz)):t |
| EQUALP | (EQUALP объект объект) | Проверка наиболее общего равенства | |
| NULL | (NULL список) | Проверка, является ли аргумент пустым списком | |
| NOT | (NOT логическая величина) | Логическое отрицание | |
| NTH | (NTH n список) | Выделение n-го элемента списка | (NTH 2 (1 2 3)): 3 (индексы начинаются с 0) |
| FIRST | Предикаты, выделяющие | ||
| SECOND | Соответствующие элементы списка | ||
| LAST | |||
| LIST | (LIST apr арг2 ...) | Строит из аргументов список | (LIST a b (с)): (a b c) |
Отметим, что в программах на Лиспе надо тщательно отличать значения от их обозначений.
В Лиспе константы обозначают самих себя. Выражения типа (* 2 2) сразу вычисляются. Чтобы избежать нежелательного вычисления выражения используется функция QUOTE или знак апострофа (') перед выражением:
(* 2 2) : 4
' (* 2 2) :' (* 2 2) – список
Произвольный символ можно использовать как переменную, и он может обозначать произвольное выражение. При первом использовании символу должно быть присвоено или с ним связано некоторое значение с помощью функции SET, например,
(SET 'операции'(+ - */))
Знак ' используется для подавления вычисления аргументов функции SET. Функция SETQ не вычисляет значения 1-го аргумента (а 2-го вычисляет).
На значение символа можно сослаться, указав его без апострофа (').
Для занесения значений в ячейку памяти, связанной с символом, можно пользоваться обобщенной функцией присваивания SETF, размещающей значения в соответствующей ячейке памяти:
(SETF ячейка_памяти значение).
Переменная «ячейка_памяти» без апострофа указывает на ячейку памяти. Присвоение, выполняемое функциям» SET, SETQ и SETF, является побочным эффектом , этих функций, помимо того, данные функции возвращают присваиваемые значения.
ФОРМЫ. УПРАВЛЯЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ В ЛИСП-ПРОГРАММЕ
Программа состоит не только из функций, но и из форм. Простейшими формами являются константы, переменные, лямбда-вызовы, вызовы функций.
Остановимся более подробно на специальных формах, предназначенных для управления обработкой программы и контекстом. У каждой формы определенный синтаксис и семантика, основанные на едином способе записи и интерпретации.
Управляющие предложения Лиспа внешне выглядят как вызовы функций - в виде скобочных выражений, первый элемент которых действует как имя управляющей структуры, а остальные элементы - как аргументы. Наиболее важные формы можно разделить на следующие группы: