LISP - 向量

Lisp - 向量（Vectors）

向量（Vectors）是一维数组，与列表（lists）一样，是 Common Lisp 中基本的序列类型。与列表（其针对顺序访问和前端修改进行了优化）不同，向量提供对其元素的快速、常数时间（O(1)）随机访问。这使得它们非常适合需要按索引查找元素的集合。

创建向量

创建向量有多种方法，每种方法都适用于不同的需求。

1. vector 函数

使用 vector 函数是创建带有预定义元素的向量最简单的方法。它接受任意数量的参数（arguments），并返回一个包含这些参数的新向量。

(let ((v1 (vector 1 2 3 4 5))
      (v2 (vector 'a "hello" t)))
  (format t "Numeric vector: ~a~%" v1)
  (format t "Mixed vector:   ~a~%" v2))

输出

Numeric vector: #(1 2 3 4 5)
Mixed vector:   #(A "hello" T)

2. #(...) 读取器宏（Reader Macro）

Lisp 提供了一种用于向量的字面量（literal）语法：#(...)。这对于直接在代码中嵌入常量向量数据非常方便。

警告： 根据标准，你绝不应修改字面量对象。这样做可能导致未定义行为（undefined behavior），因为 Lisp 系统可能将字面量存储在只读内存中。对于你打算修改的向量，请始终使用 vector 或 make-array。

(defvar *my-constant-vector* #(A B C))
(write *my-constant-vector*)

3. make-array 函数

make-array 是创建数组（包括向量）最通用和功能强大的函数。对于向量，你只需提供一个维度。

;; 创建一个大小为 5 的向量，每个元素都初始化为 0。
(let ((zero-vec (make-array 5 :initial-element 0)))
  (format t "Zero-initialized vector: ~a~%" zero-vec))

;; 从现有内容列表创建向量
(let ((from-list (make-array 3 :initial-contents '(10 20 30))))
  (format t "Vector from list: ~a~%" from-list))

输出

Zero-initialized vector: #(0 0 0 0 0)
Vector from list: #(10 20 30)

带填充指针（Fill Pointers）的动态向量

Lisp 向量的一个关键特性是填充指针（fill pointer）。带填充指针的向量类似于其他语言（例如，C++ std::vector 或 Python list）中的动态数组或列表。它维护一个独立于其总分配容量的长度，从而允许高效地在末尾添加元素。

你可以通过向 make-array 传递 :fill-pointer 参数来创建一个带填充指针的向量。

• vector-push（向量压入）：在向量末尾添加一个元素并增加填充指针。它返回添加元素的索引，如果向量已满则返回 nil。
• vector-pop（向量弹出）：移除并返回最后一个元素（在填充指针位置），并减少填充指针。

示例

;; 创建一个容量为 5 但初始长度为 0 的向量
(let ((dyn-vec (make-array 5 :fill-pointer 0)))
  (format t "Initial: ~a (Length: ~a)~%" dyn-vec (length dyn-vec))

  ;; 压入一些元素
  (vector-push 'a dyn-vec)
  (vector-push 'b dyn-vec)
  (vector-push 'c dyn-vec)
  (format t "After 3 pushes: ~a (Length: ~a)~%" dyn-vec (length dyn-vec))

  ;; 弹出一个元素
  (let ((popped-item (vector-pop dyn-vec)))
    (format t "Popped '~a'. Vector is now: ~a (Length: ~a)~%"
            popped-item dyn-vec (length dyn-vec)))

  ;; 填充剩余容量
  (vector-push 'd dyn-vec)
  (vector-push 'e dyn-vec)
  (format t "Filled to capacity: ~a~%" dyn-vec)

  ;; 此次压入将失败，因为向量已满
  (let ((result (vector-push 'f dyn-vec)))
    (format t "Attempting to push past capacity returned: ~a~%" result)))

输出

Initial: #() (Length: 0)
After 3 pushes: #(A B C) (Length: 3)
Popped 'C'. Vector is now: #(A B) (Length: 2)
Filled to capacity: #(A B D E)
Attempting to push past capacity returned: NIL

专业提示： 对于真正动态、可调整大小的向量，请使用 make-array 并同时设置 :fill-pointer 和 :adjustable t。这允许你使用 vector-push-extend（一个常用工具，通常来自库），它在向量满时会自动调整向量的容量。