(cons '(贰 . 输入/输出) 《为自己写本-Guile-书》)

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发布时间：2019-06-19

本文共 12791 字，大约阅读时间需要 42 分钟。

这个世界上，有很多人讨厌 Lisp 语言。Guile 是 Sheme 的一种方言，而后者是 Lisp 的一种方言，因此 Guile 自然也会被这些人讨厌。在他们给出的自己之所以讨厌 Lisp 的众多理由中，第一个理由是他们所阅读的一些 Lisp 教材，读了一半，结果连文件读写这么简单的程序都写不出来（见）。为了不让他们说『看！又有人写了本 Lisp 书，即使你读了一半，依然写不出可以读写文件的程序』，因此我不顾这本书刚刚进行到第二章这一悲催的现实，毅然的开始讲述如何用 Guile 编写文件读写方面一些基本的程序——真的猛士敢于直面文件的读写，敢于修改变量的值。但愿他们不会抱怨：『有人写了本 Lisp 书，从第二章就开始讲文件读写，太变态了！』

端口

Guile 将串行的输入/输出抽象为端口（Port）的读写操作。端口可以关联到文件、终端以及字符串，也就是说，通过操作端口，能够以统一的形式读写文件、终端以及字符串等串行对象。

Guile 交互解释器之所以能够读取你的输入的表达式，并将求值结果在屏幕上显示出来，全拜 current-input-port 与 current-output-port 端口所赐，这两个端口分别关联了系统的标准输入与标准输出设备（通常是那个黑乎乎的控制台或终端界面）。这两个端口是默认存在的，所以从 current-input-port 中读取数据，或者向 current-output-port 写入数据，不需要指定它们。例如：

(define c (read-char))  ;; 变量 c 的值是交互输入的字符(write-char c)          ;; 将 c 的值在屏幕上显示出来

上述代码等价于：

(define a (read-char (current-input-port)))(write-char a (current-output-port))

current-input-port 与 current-output-port 本质上分别是可以返回默认的输入与输出端口的函数。

在 C 语言中，stdin 与 stdout 分别与 Guile 的 current-input-port 与 current-output-port 所返回的端口相对应，而且也有类似于 read-char 与 write-char 这样的函数。例如：

int c = getchar();putchar(c);

C 语言也允许向指定的 stdin 与 stdout 进行数据的读写，只是读写数据的函数前面带有 f 前缀，例如：

int c = fgetc(stdin);fputc(c, stdout);

getchar，putchar，fgetc，fputc 均为 C 标准库提供的函数，显然它们在命名上缺乏一致性，这是先辈的罪。

字符串端口

将端口与一个字符串相关联，然后用 read-char 与 write-char 的方式来读写这个字符串，是不是很方便？我觉得这比其他语言单独为字符串建立一套读写机制要简单干净一些。

open-input-string 函数可以将一个输入端口与字符串建立关联。例如，在 Guile 交互解释环境中，输入以下『指令』：

> (define in (open-input-string "hello"))

in 便是一个输入端口，它关联着一个字符串 "hello world"。由于这是一个输入端口，所以可以用 read-char 从中读取字符：

> (read-char in)#\h> (read-char in)#\e> (read-char in)#\l> (read-char in)#\l> (read-char in)#\o> (read-char in)#

open-output-string 可以将输出端口关联到字符串：

> (define out (open-output-string))

用 write-char 向 out 写入几个字符：

> (write-char #\h out)> (write-char #\e out)> (write-char #\l out)> (write-char #\l out)> (write-char #\o out)

也可以用 display 来写：

> (display "world" out)

要想获取 out 里存储的字符串信息，可以用 get-output-string 函数：

> (get-output-string out)"hello world"

如果决定不再使用这些端口，可使用 close-port 将它们关闭：

> (close-input-port in)#t> (close-output-port out)#t> (and (port-closed? in) (port-closed? out))#t

文件端口

文件端口，就是与文件相关联的端口。打开文件端口的函数是 open-input-file 与 open-output-file。用于操作字符串端口的那些函数，对于文件端口同样适用。

下面的 Guile 代码表示，打开文本文件 foo.txt，然后读取它的前两个字符，最后关闭文件：

(define file (open-input-file "foo.txt" #:encoding "utf-8"))(display (read-char file))(display (read-char file))file(close-input-port file)

与之等效的 C 代码如下：

FILE *file = fopen("foo.txt", "r");printf("%c", fgetc(file));printf("%c", fgetc(file));fclose(file);

值得注意的是，Guile 函数 open-input-file 能够为其读取的文件指定编码，而 C 标准库函数 fopen 则没有此功能。

当 read-char 函数读至文件末尾时，Guile 提供了 eof-object? 函数来判断它返回的字符是否为文件结束符，即：

(eof-object? (read-char file))

与该谓词等效的 C 代码如下：

feof(fgetc(file));

与文本文件的读取过程相对应，对于文件的写入过程，Guile 提供了 open-output-file 以及 write-char 函数，其用法示例如下：

(define file (open-output-file "bar.txt" #:encoding "utf-8"))(write-char #\测 file)(write-char #\试 file)(close-output-port file)

等效的 C 代码如下：

FILE *file = fopen("bar.txt", "w");fputc('c', file);fputc('s', file);fclose(file);

由于 C 标准库函数 fputc 不支持 UTF-8 编码的字符，所以我只能用 c 与 s 来代替。

guile-wc

Linux 系统中有一个命令行工具 wc，可以用它统计文本文件的行数、单词数、字符数等信息。例如，对于下面这份文本文件　foo.txt：

用 C 写用 C 写程序，会觉得自己在摆弄一台小马达。用 Guile 写程序，则觉得自己拿了根小树枝挑拨一只毛毛虫。

应用下面这三条命令：

$ wc -l foo.txt$ wc -w foo.txt$ wc -m foo.txt

可分别得到以下输出结果：

2 foo.txt8 foo.txt69 foo.txt

根据 wc 统计的信息，可以称 foo.txt 的内容由 2 行文本构成——它包含 8 个单词，共 69 个字符。我相信 wc，所以我不打算数一遍。

现在，我要做的是，用 Guile 写一个名为 guile-wc.scm 脚本，让它去做上述 wc 所做的事，看看它们的结果是否一致。

;; guile-wc.scm(define (get-file-name args)  (cond ((null? (cdr args)) (car args))        (else (get-file-name (cdr args)))))(define (arg-parser args opt)  (cond ((null? args) #f)        ((string=? (car args) opt) #t)        (else (arg-parser (cdr args) opt))))(define (guile-wc args file)  (define (lwm-count l w m)    (let ((char (read-char file)))      (cond ((eof-object? char) `(,l ,w ,m))            ((char=? char #\newline) (lwm-count (+ l 1) (+ w 1) (+ m 1)))            ((char=? char #\space) (lwm-count l (+ w 1) (+ m 1)))            (else (lwm-count l w (+ m 1))))))  (let ((lwm (lwm-count 0 0 0)))    (cond ((arg-parser args "-l") (car lwm))          ((arg-parser args "-w") (cadr lwm))          ((arg-parser args "-m") (caddr lwm))          (else lwm))))(define args (command-line))(define file (open-input-file (get-file-name args) #:encoding "utf-8"))(display (guile-wc args file)) (newline)(close-input-port file)

按以下次序执行 guile-wc.scm 脚本：

$ guile guile-wc.scm -l foo.txt$ guile guile-wc.scm -w foo.txt$ guile guile-wc.scm -m foo.txt

可分别得到以下输出结果：

这些结果与上述的 wc 的输出结果相同。

在 guile-wc.scm 脚本中，get-file-name 与 arg-parser 函数的定义均来自上一章，并且对后者进行了大幅删减——因为 guile-wc.scm 不需要处理带参数值的选项。

guile-wc 函数可改写为以下形式：

(define (lwm-count file l w m)  (let ((char (read-char file)))    (cond ((eof-object? char) `(,l ,w ,m))          ((char=? char #\newline) (lwm-count file (+ l 1) (+ w 1) (+ m 1)))          ((char=? char #\space) (lwm-count file l (+ w 1) (+ m 1)))          (else (lwm-count file l w (+ m 1))))))(define (guile-wc args file)  (let ((lwm (lwm-count file 0 0 0)))    (cond ((arg-parser args "-l") (car lwm))          ((arg-parser args "-w") (cadr lwm))          ((arg-parser args "-m") (caddr lwm))          (else lwm))))

原版的 guile-wc 函数的那种写法只是想表明，Guile 允许函数的嵌套定义，即在一个函数的定义中定义另一个函数。如果 lwm-count 函数只会应用于 guile-wc 函数的内部，那么将其定义嵌入 guile-wc 函数，这种方式是合理且值得提倡的，因为它可以直接访问外围环境中的变量，例如 file。

如果使用赋值运算，lwm-count 函数的参数可以省略：

(define (guile-wc args file)  (let ((l 0) (w 0) (m 0))    (define (lwm-count)      (let ((char (read-char file)))        (cond ((eof-object? char) `(,l ,w ,m))              ((char=? char #\newline) (begin (set! l (+ l 1))                                              (set! w (+ w 1))                                              (set! m (+ m 1))                                              (lwm-count)))              ((char=? char #\space) (begin (set! w (+ w 1))                                            (set! m (+ m 1))                                            (lwm-count)))              (else (begin (set! m (+ m 1)) (lwm-count))))))    (let ((lwm (lwm-count)))      (cond ((arg-parser args "-l") (car lwm))            ((arg-parser args "-w") (cadr lwm))            ((arg-parser args "-m") (caddr lwm))            (else lwm)))))

其中，像 (set! w (+ w 1)) 这样的表达式，类似于 C 语言中的 w = w + 1。

反引号与逗号

需要注意，lwm-count 函数的返回结果是一个列表，即：

((eof-object? char) `(,l ,w ,m))

这个表达式中，引号以及逗号，不用不行。如果不用反引号，Guile 解释器，会认为 (,l ,w ,m) 是在应用一个名为 ,l 的函数，它的参数为 ,w 与 ,m。

引号是个语法糖，它实际上是 quasiquote 函数。例如：

`(,l ,w ,m)

实质上是 (quasiquote (,l ,w ,m))。

如果不用逗号，那么 Guile 解释器会认为 (quasiquote (l w m)) 中的 l，w 以及 m 都是符号。例如：

> (symbol? `(l w m))#f> (symbol? (car `(l w m)))#t

所谓符号，可简单的将其理解为 Guile 的变量名与函数名。

Guile 的变量，本质上是将一个符号绑定到一个值：

(define 符号 值)

Guile 的函数，本质上是将一个符号绑定到一个匿名的计算过程：

(define 函数  (lambda (形参) 
    <计算过程>
     ))

(quasiquote (,l ,w ,m)) 中的逗号，是迫使 Guile 将列表中的符号 l，w 以及 m 作为表达式进行求值。

逗号也是一个语法糖，它实际上是 unquote 函数。,w 实际上是 (unquote w)。

Guile 中还有一个引号，通常情况下可以用它引用符号或列表，但是当列表中某些元素需要 unquote 时，需要用反引号。换句话说，引号的威力太大，它可以将列表中的一切东西拍扁为符号，例如 '(,l ,w ,m)，列表 (,l ,w ,m) 会被它拍的原型毕露：

((unquote l) (unquote w) (unquote m))

而反引号允许列表中的某些符号从引号中逃逸出来。

挑战

假设有一种被称为 zero 文档的文本格式，其扩展名为 .zero。例如下面这份 hello-world.zero 文档：

\starttext下面我们用 C 语言写一个 Hello World 程序：@ hello.c 文件 ##include 
    
     int main(void) {        # 在屏幕上打印 "Hello world!" 字符串 @;        return 0;}@可使用 C 标准库提供的 \type{printf} 函数在终端屏幕上显示文本，即：@ 在屏幕上打印 "Hello world!" 字符串 #print("Hello World!\n");@编译这个程序的命令为：\starttyping$ gcc hello.c -o hello\stoptyping\stoptext

现在，问题来了。我想对这种格式的文档进行区域划分，划分规则是，无论是 @ ... # 格式的文本还是 @ 符号独占一行的文本，划分位置均在 @ 符号之前。上面的示例文档，按照这种划分规则，可将其划分为四个区域（间隔线仅作示意用）：

\starttext下面我们用 C 语言写一个 Hello World 程序：----------------------------------------------------------------@ hello.c 文件 ##include 
    
     int main(void) {        # 在屏幕上打印 "Hello world!" 字符串 @;        return 0;}----------------------------------------------------------------@可使用 C 标准库提供的 \type{printf} 函数在终端屏幕上显示文本，即：@ 在屏幕上打印 "Hello world!" 字符串 #print("Hello World!\n");-----------------------------------------------------------------@编译这个程序的命令为：\starttyping$ gcc hello.c -o hello\stoptyping\stoptext

下面的代码可作为参考答案，是我作为 Guile 的初学者，用了一个下午的时间写出来的。

(define (zero-doc-split file blocks cache)  (define (error-exit)    (begin (display "Error: ") (display (get-output-string cache)) (newline) (exit)))  (define (all-chars-before-@-are-spaces? text)    (cond ((null? text) #t)          (else (let ((first (car text)))                  (cond ((char=? first #\newline) #t)                        ((char=? first #\space)                         (all-chars-before-@-are-spaces? (cdr text)))                        (else #f))))))  (define (@-alone?)    (cond ((not (all-chars-before-@-are-spaces?                 (reverse (string->list (get-output-string (car blocks)))))) #f)          (else (let ((next-char (read-char file)))                  (cond ((eof-object? next-char) #f)                        (else                         (begin                           (write-char next-char cache)                           (cond ((char=? next-char #\newline) #t)                                 ((char=? next-char #\space) (@-alone?))                                 (else #f)))))))))  (define (@-lead-lines?)    (define (all-chars-after-#-are-spaces?)      (let ((next-char (read-char file)))        (begin (write-char next-char cache)               (cond ((eof-object? next-char) #f)                     ((char=? next-char #\newline) #t)                     ((char=? next-char #\space) (all-chars-after-#-are-spaces?))                     (else #f)))))    (cond ((not (all-chars-before-@-are-spaces?                 (reverse (string->list (get-output-string (car blocks)))))) #f)          (else (let ((next-char (read-char file)))                  (cond ((eof-object? next-char) #f)                        (else (begin                                (write-char next-char cache)                                (cond ((char=? next-char #\@) (error-exit))                                      ((char=? next-char #\#)                                       (cond ((all-chars-after-#-are-spaces?) #t)                                             (else (error-exit))))                                      (else (@-lead-lines?))))))))))  (let ((char (read-char file)))    (cond ((eof-object? char) blocks)          ((char=? char #\@)           (begin (write-char char cache)                  (cond ((or (@-alone?) (@-lead-lines?))                         (begin                           (set! blocks (cons cache blocks))                           (set! cache (open-output-string))                           (zero-doc-split file blocks cache)))                        (else (begin                                (display (get-output-string cache) (car blocks))                                (close-output-port cache)                                (set! cache (open-output-string))                                (zero-doc-split file blocks cache))))))          (else (begin                  (write-char char (car blocks))                  (zero-doc-split file blocks cache))))))(define (display-zero-blocks blocks)  (cond ((null? blocks) #nil)        (else (begin                 (display (get-output-string (car blocks)))                (cond ((null? (cdr blocks)) (newline))                      (else  (display "----")                             (newline)))                (display-zero-blocks (cdr blocks))))))(setlocale LC_ALL "")(define (get-file-name args)  (cond ((null? (cdr args)) (car args))        (else (get-file-name (cdr args)))))(define file (open-input-file (get-file-name (command-line)) #:encoding "utf-8"))(define blocks (cons (open-output-string) #nil))(define cache (open-output-string))(display-zero-blocks (reverse (zero-doc-split file blocks cache)))(close-input-port file)

在 zero-doc-split 函数的实现中，使用了两个个此前未涉及到的函数，string->list，reverse，这里给出它们的用法示例：

> (string->list "hello world!")(#\h #\e #\l #\l #\o #\space #\w #\o #\r #\l #\d #\!)> (reverse (string->list "hello world!"))(#\! #\d #\l #\r #\o #\w #\space #\o #\l #\l #\e #\h)

利用这两章所学的知识，自己动手实现这两函数也不难，例如：

(define (my-reverse list)    (define (my-reverse-iter list new-list)      (cond ((null? list) new-list)            (else (my-reverse-iter (cdr list) (cons (car list) new-list)))))    (my-reverse-iter list #nil))(define (string-to-list s)  (let ((port (open-input-string s)))    (define (string-to-list-iter list)      (let ((char (read-char port)))        (cond ((eof-object? char) (begin                                    (close-input-port port)                                    (my-reverse list)))              (else (string-to-list-iter (cons char list))))))    (string-to-list-iter #nil)))(string-to-list "hello world!")(my-reverse (string-to-list "hello world!"))

在 zero-doc-split 函数的实现中，还用到了函数 setlocale。对于中文用户而言，如果想让 Guile 程序在终端中显示中文字符，需要：