Essential SICP Primer

综述

本书以Lisp语言本身为例，完整而辨证的讲述了“计算机程序”的各种形而上形而下的问题：

• 程序语言本身的要素（原语、组合手段、抽象手段）

• 程序的计算模型（代换模型、环境模型，迭代、递归）

• 程序的世界观（对象式、函数式）

• 程序如何繁殖进化（元语言抽象）

• 程序如何执行（编译、解释）

同时阐述了程序设计中常用的几大关键技术：

• 寄存器与堆栈的使用（目前多数计算机的基本抽象）

• 数据导向与通用型计算（涉及高阶过程，数据与过程的统一）

• 并发程序设计（模型与时序的冲突）

• 历史记忆法（即缓存）

• 应用序与正则序，及背后的惰性求值/延时求值方法论

• 迭代与尾递归的转换

后两种看似只是一种优化技术，实际上不止如此，它们牵扯到程序的合法性，运行结果的可预期性

还有几种特殊的程序设计技术：

• 模拟时间分叉的非确定性计算

• 模拟逻辑推理的逻辑程序设计

• 模拟数学公式的约束系统设计

一、语言要素

每一种强有力的语言都提供了三种机制：

• 基本表达形式，用于表示语言所关心的最简单的个体

• 组合的方法，通过它们可以从较简单的东西出发构造出复合的元素

• 抽象的方法，通过它们可以为复合对象命名，并将它们当作单元去操作

二、数据与过程的统一

第一级元素的特权：

• 可以用变量命名

• 可以提供给过程作为参数

• 可以由过程作为结果返回

• 可以包含在数据结构中

Lisp给了“过程”完全的第一级状态，而一般而言，我们可以将数据定义为：

• 一组适当的构造函数（必选）和选择函数（必选）及改变函数（可选）

• 为使这些函数成为一套合法表示，它们就必须满足的一组特定条件

这样，数据与过程在Lisp中就完全统一了

三、并发、时间与通信

并发的基本现象是共享状态在不同进程间的同步，或迫使进程间通信所产生的事件按照某种特定的顺序进行；从本质上看，在并发控制中，任何时间概念都必然与通信有内在的联系；有意思的是，时间与通信之间的这种联系也出现在相对论里，在那里的光速（可能用于同步事件的最快信号）是与时间和空间有关的基本常量；在处理时间和状态时，我们在计算模型领域所遭遇的复杂性，事实上可能就是物理世界中最基本的复杂性的一种反映

四、对象模型与函数式模型

从一个复杂过程中的一部分的观点出发，其它的部分看起来正在随时间变化，它们有着隐蔽的随时间变化的局部状态；如果我们希望去写程序，在计算机里用某种结构去模拟现实世界中的这类自然分解，那么就会做出一些不是函数式的对象－－它们必须随着时间不断变化；我们用局部状态变量去模拟状态，用对这些变量的赋值模拟状态的变化；在这样做的时候，就是在用计算执行中的时间去模拟我们所在的世界里的时间，也就是把“对象”弄进了计算机

用对象来做模拟是威力强大的，也很直观，这一情况的主要根源，就在于它非常符合我们对自己身处其中并与之交流的世界的看法；然而，正如我们已经反复看到的这种模型也产生了对于事件的顺序的依赖，以及同步多个进程的棘手问题；避免这些问题的可能性推动着“函数式程序设计语言”的开发，这类语言里根本不提供赋值或者变动对象，在这样的语言里，所有过程实现的都是它们参数上的定义良好的数学函数，其行为不会变化；物理世界中也有这样的例子，当我们观察一个正在移动的粒子时，我们说该粒子的位置（状态）正在变化，然而，从粒子的世界线的观点看，这里根本就不涉及任何变化

然而，如果我们贴近观察，就会看到与时间有关的问题也潜入了函数式模型中，原因在于函数式模型与时间无关的特性是将提供时态、时序的责任推给用户方实现的，当用户方无法提供时态时，又要重新引入函数式风格致力消除的同一个问题

我们可以将这一世界模拟为一集相互分离的，受时间约束的，有局部状态的，相互交流的对象，或者也可以将世界看作一个大函数，是单一的，无时间的，无状态的统一体；对象模型对世界的近似在于将其分割为独立的片断，函数式模型则不是沿着对象间的边界去做模块化。当对象间不共享的状态远远大于它所共享的状态时，对象模型就特别好用。这种对象观点失效的一个地方是量子力学，在那里将物体看作独立的粒子就会导致悖论和混乱。将对象观点和函数观点统一起来可能与程序设计关系不大，而是与基本认识论有关。每种观点都有其强有力的优势，但就其自身而言，又没有一种方式能够完全令人满意，我们还在期待着一个大统一的出现

五、元语言抽象与通用机器

这里的深刻思想是，任一求值器都能模拟其它的求值器；这样，有关“原则上说什么可以计算”的概念（忽略掉所有有关时间和空间的实践性问题）就是与语言或计算机无关的了；它反映的是一个有关“可计算性”的基本概念；这一思想第一次是由图灵阐述的；图灵给出了一种简单的计算模型－－现在被称为图灵机－－并声称，任何“有效过程”都可以描述为这种机器的一个程序；图灵而后实现了一台通用机器，即一台图灵机，其行为就像是所有图灵机程序的求值器

六、编译与解释

编译可以大大提高程序执行的效率，解释则为程序开发和排除错误提供了一个更强大的环境，因为被执行的源代码在运行期间都是可用的，可用去检查和修改，此外，由于整个基本操作的库都在那里，我们可以在排除错误的过程中构造新程序，随时把它们加入系统中；

由于看到了编译和解释的互补优势，现代程序开发环境很推崇一种混合的策略，使得解释性程序和编译性程序可以互相调用；这就使程序员可以编译那些自己认为已经排除了错误的部分，从而取得编译方式的效率优势，而让那些正在进行交互式开发和排错的，还在不断变化的程序部分的执行仍然维持在解释模式中；还可以使程序员根据实际问题选择最合适的语言