LISP - 向量函数

Lisp - 向量函数

向量（Vector）是 Common Lisp 中一种基本的序列（sequence）类型，提供 O(1) 的随机访问（random access）元素能力。本章将探讨创建、修改和操作向量的关键函数，遵循现代和地道的实践。

修改向量元素

向量的单个元素使用 (setf aref) 进行修改。

使用 (setf aref)

aref (ARray REFerence) 是用于访问任何数组（array），包括向量元素的通用函数。svref 是针对简单向量（simple vectors）的专用版本，速度可能更快，但 aref 更通用，通常就足够了。

(let ((my-vector (vector 10 20 30 40)))
  (format t "Original vector: ~a~%" my-vector)

  ;; 修改索引为 2 的元素（第三个元素）
  (setf (aref my-vector 2) 99)

  (format t "Modified vector: ~a~%" my-vector))

输出

Original vector: #(10 20 30 40)
Modified vector: #(10 20 99 40)

使用 fill

The fill 函数能高效地将向量的所有元素或子序列设置为单个值。

(let ((my-vector (vector 1 2 3 4 5)))
  (format t "Original vector: ~a~%" my-vector)

  ;; 将整个向量填充为 0
  (fill my-vector 0)

  (format t "Filled vector:   ~a~%" my-vector))

输出

Original vector: #(1 2 3 4 5)
Filled vector:   #(0 0 0 0 0)

访问向量信息

你可以检查向量的属性，例如其长度和元素类型。

;; 通用向量可以容纳任意类型的元素 (T)
(let ((general-vector (vector "hello" 42 #\c)))
  (format t "Vector: ~a~%" general-vector)
  (format t "  Length: ~a~%" (length general-vector))
  (format t "  Element Type: ~a~%" (array-element-type general-vector)))

(terpri)

;; 专用向量针对特定类型（如整数）进行了优化
(let ((specialized-vector (make-array 3 :element-type 'fixnum
                                        :initial-contents '(100 200 300))))
  (format t "Vector: ~a~%" specialized-vector)
  (format t "  Length: ~a~%" (length specialized-vector))
  (format t "  Element Type: ~a~%" (array-element-type specialized-vector)))

输出

Vector: #("hello" 42 #\c)
  Length: 3
  Element Type: T

Vector: #(100 200 300)
  Length: 3
  Element Type: FIXNUM

函数式向量操作

Common Lisp 的函数式（functional）传统通过 map 和 reduce 等高阶函数（higher-order functions）得以体现，它们可以在向量上操作以生成新结果，而不会产生变异（mutation）。

使用 map 进行转换

map 函数将一个函数应用于序列的每个元素，返回一个新的序列。第一个参数 'vector 指定结果应为向量。

(let* ((original (vector 1 2 3 4 5))
       (doubled (map 'vector #'(lambda (x) (* x 2)) original)))

  (format t "Original: ~a~%" original)
  (format t "Doubled:  ~a~%" doubled))

输出

Original: #(1 2 3 4 5)
Doubled:  #(2 4 6 8 10)

使用 reduce 进行聚合

reduce 函数使用一个二元函数（binary function）将序列的元素组合成单个值。

(let* ((numbers (vector 1 2 3 4 5 6))
       (sum (reduce #'+ numbers)))

  (format t "Numbers: ~a~%" numbers)
  (format t "Sum: ~a~%" sum))

输出

Numbers: #(1 2 3 4 5 6)
Sum: 21

最佳实践：测试你的函数

在编写操作向量的函数时，对其进行测试至关重要。虽然对于项目而言，推荐使用像 FiveAM 或 Prove 这样的完整测试框架（testing frameworks），但你可以使用 assert 进行简单的检查。

(defun sum-vector (vec)
  (reduce #'+ vec))

;; 测试用例
(assert (= (sum-vector (vector 1 2 3)) 6))
(assert (= (sum-vector (vector)) 0))
(assert (= (sum-vector (vector -1 1)) 0))

(format t "All sum-vector tests passed!~%")

这种简单方法可以验证你的函数对典型输入、空输入（一种边缘情况，edge case）以及其他场景是否有效。