似乎只有 lisp 允许使用变量而不先定义它？

Question

我发现似乎只有在 lisp 中才能定义这个：

(lambda (x)(+ x y 1))

在其他语言中，即使是函数式语言，也必须先定义一个变量，然后才能使用它

所以在lisp中，有“自由变量”，“绑定变量”的概念。其他语言有这个概念吗？因为所有的变量都必须先定义，所以所有的变量都是“绑定变量”？变量有一个初始值，在全局或其他范围？

我认为 lambda 的概念很早，但是如果任何变量或值，必须先定义然后使用，是不是更容易理解和使用？

谢谢！

Answer 1

我认为这个问题有两个部分。Lisp（和其他语言）中有一个关于自由变量访问的一般问题，这是一个很大的主题，因为有很多很多 Lisp 甚至更多其他语言，包括具有某些变量的动态范围 (CL) 的和具有只有动态范围（elisp 直到最近，还有许多其他旧实现）。还有一个问题是关于何时需要在 Lisps（和其他语言）中解析变量引用，尤其是需要向前引用以及何时以及如何解析它们。

在这个答案中，我只讨论第二部分，关于前向引用，我认为这直接让你感到困惑。我将给出使用 Racket 和r5rs语言的示例，因为这就是您在评论中使用的内容。

首先，任何支持递归而不跳过极端循环的语言（也就是使用 Y 组合器）需要支持对尚未绑定的名称的引用，这称为前向引用。考虑一下：

#lang r5rs

(define foo
  (lambda (x)
    (if (null? x)
        0
        (+ 1 (foo (cdr x))))))

好的，所以当函数被评估时foo，递归调用有一个引用。 但此时foo尚未绑定，因为foo将绑定到函数本身，这就是我们正在定义的。事实上，如果你做这样的事情：

(let ((r (lambda (x)
           (if (null? x)
               0
               (+ 1 (r (cdr x)))))))
  r)

这是一个错误，因为r确实还没有定义。相反，您需要使用letrecwhich 执行合适的魔法来确保一切正常。

好吧，你可能会争辩letrec说它变成了这样：

(let ((r #f))
  (set! r (lambda (x)
            (if (null? x)
                0
                (+ 1 (r (cdr x))))))
  r)

也许确实如此。但这又如何呢？

#lang r5rs

(define foo
  (lambda (x)
    (if (null? x)
        0
        (bar x))))

(define bar
  (lambda (x)
    (+ 1 (foo (cdr x)))))

而对于更精细的程序。

所以这里有一个关于前向引用的普遍问题。以这样一种方式编写程序基本上是不可能的，即在程序的文本中不存在对未知名称的引用。请注意，在上面的程序中foo引用bar 和bar引用foo因此没有定义foo和的顺序，bar其中不涉及对尚未绑定到源代码中的名称的引用。

请注意，这个问题基本上会影响所有编程语言：这并不是 Lisp 家族语言所独有的。

那么，这是如何解决的呢？嗯，答案是“这取决于您关心的特定语言是如何定义的”。我不完全确定 R5RS 规范对此有何评论，但我想我确定 Racket对此有何评论。

Racket 所说的是，前向引用都需要在模块级别进行整理。因此，如果我有这样的 Racket 源文件：

#lang r5rs

(define a
  (lambda (x) (+ x y)))

(define y 1)

这是好的，因为在模块的端部都a与x被定义，所以定义a为细。这foo和bar上面的定义没有什么不同，请注意像这样的源文件：

#lang r5rs

(define foo
  (lambda (x)
    (if (null? x)
        0
        (bar x))))

不合法：bar不受约束：

$ racket ts.rkt
ts.rkt:7:9: bar: unbound identifier
[...]

因此，前向引用问题的答案有两个方面：

• 用几乎任何实用语言编写程序，尤其是在 Lisps 中，都需要对在引用点尚未绑定的名称进行前向引用；
• 语言规范需要定义何时以及如何解析此类前向引用。

我认为这就是让您感到困惑的原因。特别是仅包含以下内容的 Racket 模块：

#lang r5rs

(define a (lambda (x) (+ x y)))

在 Racket 中是不合法的。但是这个模块：

#lang r5rs

(define a (lambda (x) (+ x y)))
(define y 1)

是合法的，因为y在解析前向引用时绑定。

由于两个原因，Common Lisp 比这更复杂：

• 它是一个 Lisp-2，所以函数和变量绑定存在于不同的命名空间中；
• 没有标准的顶级词法变量绑定。

因此，例如，如果我们采取这样的事情（假设在顶层，在它之前没有其他用户定义）：

(defun foo (x)
  (+ x y))

theny 不能是对词法变量的引用，因为 的词法环境foo是空的，因为没有顶级词法变量绑定。

所以y必须是对动态变量的引用（CL 中的特殊变量）。但实际上，CL 通过说不允许这样的引用来解决动态变量的前向引用问题。所以上面的定义不是合法的CL。许多编译器会在编译时发出警告，但他们不必这样做。

但是，以下变体很好（请注意，我对动态变量使用了 CL 约定）。

(defvar *y* 1)

(defun foo (x)
  (+ x *y*))

这很好，因为*y*在foo定义之前就知道了。

事实上，我撒了谎：允许对动态变量进行前向引用，但你必须告诉他们的语言：

(defun foo (x)
  (declare (special *y*))
  (+ x *y*))

现在，如果稍后(defvar *y* ...)（或等效）调用foo将没问题。如果没有这样的全球特别声明，*y*那么我认为如果foo被调用会发生什么是未定义或错误（我有点希望是后者，但我不确定。

最后，即使没有对 的全球特别声明*y*，这也很好：

(let ((*y* 3))
  (declare (special *y*))
  (foo 1))

这很好，因为*y*在本地声明为特殊的（有一个绑定声明）。

CL 中允许对函数的前向引用，并且有关于何时需要解析它们的复杂规则，我不确定我是否记得。