LISP - 专用向量

Lisp - 专用向量

标准的 Lisp 向量是一种通用容器，可以容纳任何类型的 Lisp 对象。这种灵活性是有代价的：每个元素都需要为类型标签和指针分配存储空间，这一概念被称为装箱（boxing）。相比之下，专用向量（specialized vector）经过优化，仅存储一种特定的原始类型元素。这在性能和内存使用方面具有显著优势。

为何使用专用向量？

• 内存效率：通过直接存储原始数据值而不进行装箱（例如，存储原始的 8 位整数而非指向整数对象的指针），专用向量显著减少内存使用。
• 性能提升：访问元素速度快得多。CPU 可以直接处理数据，提高缓存局部性，并使编译器能够进行强大的 SIMD（单指令多数据）优化。
• 类型安全：Lisp 系统强制执行类型限制。尝试存储错误类型的元素会发出错误信号，从而及早发现错误。
• 外部函数接口（FFI）：它们对于与用 C 等其他语言编写的库进行接口至关重要，因为它们直接映射到内存中的 C 风格数组。

创建和使用专用向量

您可以通过为 make-array 提供 :element-type 参数来创建专用向量。系统将自动选择尽可能紧凑的表示形式。

整数向量

您可以创建各种整数大小的向量。例如，(unsigned-byte 8) 非常适合存储字节。

;; 创建一个用于存储 5 个整数的向量，每个整数都是一个无符号字节（0-255）。
;; 它用零初始化。
(let ((byte-vector (make-array 5 :element-type '(unsigned-byte 8))))
  (print byte-vector)
  ;; -> #(0 0 0 0 0)

  ;; 赋值
  (setf (aref byte-vector 0) 10)
  (setf (aref byte-vector 1) 255)
  (print byte-vector)
  ;; -> #(10 255 0 0 0)

  ;; 这将引发类型错误，因为 300 超出了 unsigned-byte 8 的范围。
  ;; (setf (aref byte-vector 2) 300)
)

位向量（Bit-Vector）

位向量是存储布尔值（0 或 1）序列的极其紧凑的方式。Lisp 提供了一个方便的读取器宏 #*，用于字面创建它们。

;; 使用读取器宏创建位向量
(let ((bit-v #*10110))
  (print bit-v)
  ;; -> #*10110

  ;; 访问元素
  (print (aref bit-v 2))
  ;; -> 1

  ;; 修改元素
  (setf (aref bit-v 2) 0)
  (print bit-v))
  ;; -> #*10010

字符向量（字符串）

根据定义，Lisp 的 string（字符串）是一种专用的一维数组，其元素类型为 character（字符）。

;; 这些是等效的
(defvar string1 "Hello")
(defvar string2 (make-array 5 :element-type 'character :initial-contents '(#\H #\e #\l #\l #\o)))

(print (aref string1 1)) ; -> #\e

浮点数向量

专用浮点向量对于科学和数值计算至关重要。

;; 创建一个单精度浮点数向量。
(let ((float-vec (make-array 3 :element-type 'single-float)))
  (setf (aref float-vec 0) 3.14f0)
  (setf (aref float-vec 1) 1.618f0)
  (print float-vec))
;; -> #(3.14 1.618 0.0)

何时使用专用向量

在以下情况时选择专用向量：

• 处理大量同构的原始数据（例如，数字、字符）。
• 编写对内存带宽和缓存性能要求较高的性能关键代码（例如，游戏开发、数据分析、图像处理）。
• 处理二进制数据，例如从文件或网络套接字读取。
• 与 C 或其他系统级库进行接口。

对于灵活性比原始性能更重要的通用编程，或者当您需要存储不同对象类型的混合时，标准向量通常是更方便的选择。