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scheme下的停機問題和Y組合子

        看過的計算機書中,scheme相關的那幾本,好比SICP,the essence of program都很讓我愛不釋手。而the little schemer更加獨特,編程的本質,在這本書小人書上體現得淋漓盡致。竊以為,scheme是語法形式上最為完美的編程語言了,沒有之一。少即是多,這樣的贊美之言,唯有scheme當之無愧,并且它的確是精簡得不能再精簡了。至于那個自吹自擂的什么狗語言,不提也罷。當然,完美并不一定代表實用,也并不一定必須流行,曲高一向都是和寡的,但是,完美卻一定可以帶來賞心悅目般的感受。
        the little schemer全書行云流水,逐漸顯露遞歸的威力,做足了鋪墊,到了第8章,真命天子lambda出現,一切變得很有意思了,讀完之后,意猶未盡。第9章,難度陡增,突然變得理論性起來,那是自然的。因為,這一章的主題是停機問題和Y組合算子。不引入任何形式化的方法,但是作者舉重若輕,依然闡釋得如此直白易懂,可以說,只要能看完前面的內容,就一定能看懂這一章。而前八章,據說6歲以上的兒童都能看得明白。
        scheme中的函數是first class,可以作為參數傳遞給其他函數,也可以作為值從函數中返回。比如,廣為流傳的一道程序,用以考察語言的表達能力,“編寫一個函數,其入參數為n,返回值為新的函數,該函數的參數為x,返回值為之前的n與現在的x的和。”用scheme來表達,牛刀小試。
(define (addn n)
  (lambda (x)
    (+ x n)))
然后,對于((addn 20) 30),scheme解釋器上顯示其結果為50,很好。相比于那個lisp的版本,這里顯得多么的干凈。
        函數式的語言對副作用(side effect)很敏感,特別是haskell,更加對副作用趕盡殺絕,壓根就不讓寫出有副作用的函數。因此,正常情況下,函數執行完畢,都有返回值。好比,……,總之很多就是,正常的函數,都可稱之為total functions,意思就是對所有的參數,都會有返回結果。但是,也還存在一些病態函數,它們不會返回,一旦調用它,那么將陷入與其中,永遠都不會返回了,顯然,里面出現死循環了,但是,scheme中沒有循環語句,所以不能這么說,總之,這一類是不會有返回值的。很輕易就能寫出一個例子。
(define eternity
  (lambda (x)
    (eternity x)))
eternity為不朽的意思。
        自然就有這樣的問題,能否實現這樣的函數,它能判斷函數是否終將返回,或者說,判斷函數會不會停止。這個函數作用可大了,當然不會那么容易實現。不過,可以先假設它存在,就叫它will-stop?(別驚訝,scheme中,標識符中可以有+-*等特殊符號)。因此,對于任何函數,(will-stop? afunction)表達式的值,要么為#t,表示函數afunction終將停止返回;要么為#f,則函數不會停止,好比eternity。顯然,讓will-stop?判斷自己,(will-stop? will-stop?)的結果一定是#t了。
        但是,will-stop?是不可能存在的,這不是廢話嗎,地球人都知道。因為計算機學家精心構造了一個反例,此反例實在巧妙,真難以想象當初是如何構造出來,我等小民只需理解即可。請看代碼
(define (last-try x)
  (and (will-stop? last-try) (eternity x)))
last-try,好名字,就叫它最后一擊吧。(will-stop? last-try)的結果不外乎#t或#f。
        假如為#f,說明last-try不會返回,意味著有死循環,不會停止。但是,一考察last-try的內部實現,卻很容易就知道它馬上就返回了。表達式(and (will-stop? last-try) (eternity '()))中,由假設可知(will-stop? last-try)為#f,進而馬上可知,(and (will-stop? last-try) (eternity '()))馬上必將返回#f,也就是說,雖然一開始假設last-try不會停止,但實際運行中last-try一下子就返回了,矛盾。
        看樣子,(will-stop? last-try)只好為#t了。可是,(and (will-stop? last-try) (eternity '())),and表達式的兩個分支中,既然(will-stop? last-try)為#t,那么,勢必要進一步調用(eternity '()),而eternity老爺,一早就知道他乃不朽之身了,因此,last-try也沾光,一樣不朽了。與假設中(will-stop? last-try)為#t為終將停止,又是矛盾。
        因此,will-stop?接受不了last-try的挑戰,失敗。也就是說,will-stop?這樣的函數,不存在。這道反例的高明之處,或者說耍賴吧,就是以will-stop?為基礎構造了一個will-stop?無法判斷的函數。假如規定,所有被檢測函數都不得直接間接的調用will-stop?,免得will-stop?難堪,那么這樣的will-stop?能否存在呢?存不存在,我就不知道了,但享受此待遇的Y組合子卻是存在的。
        函數直接或間接調用到它自己,遞歸就產生了。問題來了,函數你自己都還沒實現完畢,怎么就可以自己拿來調用呢?這個過程中,編譯器解釋器肯定做了某些語義上處理,讓遞歸得以實現。邏輯學中,對于下定義的要求是“不得循環”,好比,白色就是一種白色的顏色,這種廢話定義就不符合下定義的基本要求了。
        下面來將一條經典的遞歸函數整成非遞歸的版本。the little schemer的推導思路非常淺顯易懂,我不能做的更好的了,因此借用。
(define length
  (lambda (l)
    (cond ((null? l) 0)
      (else (+ 1 (length (cdr l)))))))
函數length中,雖然調用到了自己,實際上,其實只是調用了一個同樣名字的函數而已。意味著,length的實際上的lambda表達式,背地里帶多了一個參數,此參數為函數,用以當入參l不為空時來進行使用。因此,可以將整個函數的定義改寫成下面的lambda表達式。
(lambda (length)
  (lambda (l)
    (cond ((null? l) 0)
      (else (+ 1 (length (cdr l)))))))
lambda表達式的返回值為一個函數,當然沒有名字了。它的入參為一函數,返回一個新的函數,此新函數的入參是列表,返回列表的長度。為了便于后文敘述引用,就用define給它起個名字,叫mk-length。什么,連用define起名字都不會,沒救了。
        mk-length不是需要函數入參嗎?剛好手頭有一個,就用它自己本身,((mk-length mk-length) '()),解釋器返回0,太好了。然后,我滿懷希望的用((mk-length mk-length) '(a))來測試,結果,解釋器報錯了,為什么?稍微一想,就明白了。(mk-length mk-length)的確返回計算列表長度的函數,但是,當列表不為空時,只好用表達式(+ 1 (length (cdr l)))做進一步處理,里面的length就是mk-length,而mk-length的入參是函數,不是列表,于是解釋器就報錯了。怎么辦?
        當然,要計算長度為不大于1的列表的長度,還是有辦法的。就是,((mk-length (mk-length mk-length)) '(a)),這樣就好了。自然,當列表大于1時,解釋器必然又將報錯了。按照此法,為此,為了求得不大于N個元素的列表長度,必須將mk-length寫N次,好比,
((mk-length
  (mk-length
   (mk-length (...))))
 '(a b c d ...))
并且,辛辛苦苦的重復寫N遍mk-length,只能計算個數不大于N的列表的長度。這,無論如何都不能讓程序猿接受。
那么,為何要寫那么多(mk-length (mk-length (mk-length...))),皆因mk-length中(+ 1 (length (cdr l)))的length函數接收的函數參數是列表l。先暫時讓它適應環境,就讓它知道它接收的length參數是一個跟它自己本身的lambda表達一樣,是入參為函數,然后返回一個計算list長度的函數。將mk-length改寫成這樣。
(define mk-length
  (lambda (length)
    (lambda (l)
      (cond ((null? l) 0)
        (else (+ 1 ((length length) (cdr l))))))))
請注意,代碼里面已經不存在遞歸形式了,因為,mk-length的lambda表達式中,沒有用到mk-length這個名字了,當然,它還要用到入參length以計算當l不為空時的長度。再次抱著試試看的態度,驗證,((mk-length mk-length) '(a)),返回1,真的可以了。拿更長的列表丟進去,長度為2,為3,為N+1,都OK了,真是神奇。
        它的工作原理是,故事一開始,(mk-length mk-length)生成一個計算列表長度的函數,在其內部中,假如列表l為空,就返回長度為0;否則,就計算l的尾部長度,并加上頭結點的長度1,而計算l的尾部的函數,是通過(length length)來生成,其中length就是mk-length,故事就回到原點(mk-length mk-length)了,只是,其返回值在外圍中要加1了,然后,在更外圍中繼續加1,加1,……。
但是,工作還沒有完成,因為,mk-length中,((length length) (cdr l))很刺眼,它應該是(length (cdr l))這樣的形式。重構,必須重構。必須在將其提煉成一個函數,因此,mk-length就變成
(define mk-length
  (lambda (length-mk)
    ((lambda (length)
    (lambda (l)
      (cond ((null? l) 0)
        (else (+ 1 (length (cdr l)))))))
     (lambda (x)
       ((length-mk length-mk) x)))))
代碼似乎變得復雜些了,但效果是一樣,并且,語法結構上基本保持一致。但是代碼好像的確變得更長了,這也沒辦發,為了保持最內部length的純潔性。但是,它也太深了,作為重點,應該放在外面,嗯,應該將兩個lambda對調一下。
(define mk-length
  (lambda (length-mk)
    ((lambda (length)
       (length (lambda (x)
         ((length-mk length-mk) x))))
     (lambda (length)
       (lambda (l)
     (cond ((null? l) 0)
           (else (+ 1 (length (cdr l))))))))))
面對著這么多的lambda,實在難以淡定。但必須接收洗禮,方可體會到函數作為一等公民,所帶來的強悍的表達能力,簡直能撞破習慣命令式編程的眼球。里面的lambda(length)又變回原來的樣子,但是,mk-length的主體已經不再是它了,而是一個以的lambda(length)為參數的lambda了。為了保持mk-length的純潔,繼續努力,這一次,是在兩個(mk-length mk-length)上做文章,每次都要寫兩個相同的函數,不如把它做成函數。事情到了這一步,Y組合子已呼之欲出。
(define Y
  (lambda (f)
    (f f)))
((Y mk-length) '(a b c d e))    ;返回5
然后將mk-length中的第一條length的lambda搬過來,并且作為兩個f的入參
(define Y
  (lambda (length)
    ((lambda (f)
       (f f))
     (lambda (length-mk)
       (length (lambda (x)
         ((length-mk length-mk) x)))))))
最后,將Y整得更加好看一點,也看來更加的通用,不僅僅是針對length,而是全部的需要遞歸的函數。
(define (Y f)
  ((lambda (g) (g g))
   (lambda (g)
     (f
      (lambda (x) ((g g) x))))))
再送上一道求和
((Y
  (lambda (sum)
    (lambda (n)
      (cond ((= n 1) 1)
        (else (+ n (sum (- n 1))))))))
 10)
文章已經很長了,打住。以后再發揮吧。

posted on 2013-07-11 14:48 華夏之火 閱讀(2868) 評論(2)  編輯 收藏 引用 所屬分類: 編程語言雜談

評論

# re: scheme下的停機問題和Y組合子 2013-07-13 18:47 Quon

Y Combinator的好文要看這篇:http://mvanier.livejournal.com/2897.html
寫的很清晰  回復  更多評論   

# re: scheme下的停機問題和Y組合子[未登錄] 2013-11-08 16:22 Aaron

博主文采相當不錯相當有見地!!!  回復  更多評論   


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