LISP - 输入 − 输出

Lisp - 输入与输出

输入和输出 (I/O) 是允许程序与外部世界交互的基本操作。Common Lisp 提供了一套丰富而灵活的工具来处理 I/O，从读取用户输入到将格式化数据写入文件。本教程涵盖了 Common Lisp 中 I/O 的基本函数和现代最佳实践。

理解流

在 Lisp 中，所有 I/O 操作都发生在流 (streams) 上。流是数据的源或汇，例如终端、文件，甚至是内存中的字符串。Lisp 提供了几个标准流：

*standard-input*：默认的输入流，通常是键盘。
*standard-output*：默认的普通程序输出流，通常是屏幕。
*error-output*：错误消息的流。
*query-io*：用于交互式提示和用户对话的流。

输入函数

下表提供了一些 Common Lisp 中最常用的输入函数。

排名	函数与现代用法
1	read &optional input-stream eof-error-p eof-value recursive-p 从流中读取完整的 Lisp 对象（S-表达式）。此功能强大，但如果从不可信来源读取，可能存在安全风险，因为它可能执行代码。最适合用于配置文件或内部数据。
2	read-line &optional input-stream eof-error-p eof-value recursive-p 将一行文本作为字符串读取。这是获取用户输入最安全、最常见的方式。
3	read-char &optional input-stream eof-error-p eof-value recursive-p 从流中读取单个字符。
4	read-from-string string &key … 从字符串而非流中读取 Lisp 对象。对于解析很有用。
5	parse-integer string &key :start :end :radix :junk-allowed 安全地从字符串中解析整数。这是将字符串输入转换为数字的推荐方式。
6	peek-char &optional peek-type input-stream … 查看流中的下一个字符而不消费它。对于解析复杂的文本格式很有用。
7	read-byte binary-input-stream &optional … 从二进制流中读取单个字节。对于处理图像或网络协议等二进制文件至关重要。

读取和处理用户输入

读取用户输入的现代方法是使用 read-line 将其作为一行文本读取，然后进行解析。这可以避免 read 函数的安全性和可用性问题。

示例：一个简单的问候语

让我们编写一个程序，询问用户姓名并打印问候语。这演示了清晰的交互式 I/O。

;;; main.lisp

(defun greet-user ()
  "询问用户姓名并打印个性化问候语。"
  ;; 使用 princ 打印不带引号的提示，使用 terpri 换行。
  (princ "Please enter your name: ")
  ;; 确保在等待输入前显示提示。
  (finish-output *query-io*)

  ;; 安全地读取整行输入。
  (let ((name (read-line *query-io*)))
    (format t "~%Hello, ~a! Welcome to modern Lisp programming.~%" name)))

(greet-user)

执行

Please enter your name: Alice

Hello, Alice! Welcome to modern Lisp programming.

示例：计算圆形面积

本示例结合了读取文本、将其解析为数字、执行计算和打印格式化输出。

;;; main.lisp

(defun calculate-circle-area ()
  "提示输入半径，计算圆形面积，并打印结果。"
  (princ "Enter the radius of the circle: ")
  (finish-output *query-io*)

  (let ((radius-string (read-line *query-io*)))
    ;; 使用处理器优雅地管理无效输入。
    (handler-case
        ;; 安全地将字符串解析为浮点数。
        (let* ((radius (parse-number:parse-number radius-string))
               (area (* pi radius radius)))
          (format t "A circle with radius ~,2f has an area of ~,2f.~%" radius area))
      ;; 如果解析失败，则捕获此错误。
      (error (c)
        (format *error-output* "~%Invalid input: '~a' is not a valid number. ~a~%"
                radius-string c)))))

;; 注意：本例假设 `parse-number` 等库可用。
;; 你也可以使用 `(read-from-string radius-string)`，但这安全性较低。
;; 对于仅使用标准库的解决方案，你可以这样做：
;; (let ((radius (read-from-string radius-string))) ...)

(calculate-circle-area)

输出（成功运行）

Enter the radius of the circle: 5.5
A circle with radius 5.50 has an area of 95.03.

输出（无效输入）

Enter the radius of the circle: five

Invalid input: 'five' is not a valid number. Could not parse "five" as a number.

输出函数

Common Lisp 提供了几个用于打印数据的函数。format 函数无疑是最强大和通用的。

排名	函数与描述
1	format destination control-string &rest arguments 生成精美格式化输出到流或字符串。这是几乎所有输出的首选函数。
2	princ object &optional output-stream 以人类可读格式打印对象（例如，不带引号的字符串）。适用于提示和消息。
3	prin1 object &optional output-stream 以机器可读格式打印对象（例如，带引号的字符串）。输出可以被 `read` 函数读回 Lisp。
4	print object &optional output-stream 类似于 `prin1`，但在对象前添加一个换行符，在对象后添加一个空格。
5	pprint object &optional output-stream “美观打印机”。它格式化复杂的 Lisp 对象（如嵌套列表或结构体）并进行缩进，使其易于阅读。
6	write-line string &optional output-stream 将字符串写入流，后跟换行符。
7	terpri &optional output-stream (TERminate PRInt) 输出一个换行符。
8	finish-output & force-output &optional output-stream 这些函数管理输出缓冲，确保数据实际发送到其目的地（例如，终端或文件）。

使用 `format` 进行格式化输出

format 函数使用带有特殊指令（每个指令以波浪号 ~ 开头）的控制字符串来格式化其参数。format 的第一个参数是目标：t 表示 *standard-output*，nil 表示将格式化文本作为字符串返回，或者是一个特定的流。

以下是一些最有用的 format 指令：

指令	描述
~a	美观（人类可读）表示。（类似于 `princ`）
~s	标准（机器可读）表示。（类似于 `prin1`）
~d	十进制整数。
~f	定点格式浮点数。`~,2f` 四舍五入到小数点后两位。
~%	输出一个换行符。
~&	新行。仅当不在行首时才输出换行符。
~~	输出一个字面量波浪号字符。
~t	制表。用于创建列。
~?	间接。参数本身就是格式化字符串，带有自己的参数。

示例：生成报告

让我们通过从数据列表中创建一份简单、对齐良好的报告来演示 format 的强大功能。

;;; main.lisp

(defun generate-sales-report (data)
  "根据（商品 价格 数量）列表生成格式化的销售报告。"
  (format t "~&~va ~20t~va ~30t~va~%" "Item" "Price" "Total")
  (format t "~40,,,'-A~%" "") ; 打印分隔线
  (dolist (record data)
    (let* ((item (first record))
           (price (second record))
           (quantity (third record))
           (total (* price quantity)))
      (format t "~va ~20t$~,2f ~30t$~,2f~%" item price total))))

(let ((sales-data '(("Keyboard" 75.00 2)
                    ("Mouse" 25.50 3)
                    ("Monitor" 300.00 1))))
  (generate-sales-report sales-data))

输出

Item                Price      Total
----------------------------------------
Keyboard            $75.00     $150.00
Mouse               $25.50     $76.50
Monitor             $300.00    $300.00

现代开发实践

在现代 Lisp 开发中，您经常会与 JSON 或 CSV 等标准格式的文件交互。虽然 Common Lisp 为 Lisp 自己的数据语法提供了内置函数，但对于其他格式，您需要使用库。Quicklisp 是 Common Lisp 事实上的包管理器，它使得安装用于以下任务的库变得容易：

解析 JSON：jonathan 或 cl-json 库。
解析 CSV：cl-csv 库。
文件路径管理：uiop:merge-pathnames* 或 pathname-utils 库用于跨平台路径处理。