第十四章 向量和结构体

14.1 简介

本章中，我将讲解向量和结构体。向量是一组通过整数索引的数据。与C语言中的数组不同，一个向量可以储存不同类型的数据。与表相比，向量更加紧凑且存取时间更短。但从另外一方面来说，向量是通过副作用来操作的，这样会造成负担。Scheme中的结构体与C语言中的结构体类似。但Scheme中的结构体比C语言中的更容易使用，这是因为Scheme为结构体自动创建了读取函数和写入函数，这受益于Lisp/Scheme程序设计语言中的宏。

14.2 向量

14.2.1 字面值

向量通过闭合的#(和)表示，例如#(1 2 3)。作为字面值时，它们应该被引用，例如：

'#(1 2 3)             ; 整数向量
'#(a 0 #\a)           ; 由符号、整数和字符构成的向量

14.2.2 向量函数

下面的函数都是R5RS规定的函数：

(vector? obj) 如果obj是一个向量则返回#t。 (make-vector k) (make-vector k fill) 放回一个有k个元素的向量。如果指定了第二个参数fill，那么所有的元素都会被初始化为fill。 (vector obj …) 返回由参数列表构成的向量。 (vector-length vector) 返回向量vector的长度。 (vector-ref vector k) 返回向量vector的索引为k的元素。（译注：和C语言类似，向量从0开始索引。） (vector-set! vector k obj) 将向量vector的索引为k的元素修改为obj。 (vector->list vector) 将vector转换为表。 (list->vector list) 将list转换为向量。 (vector-fill! vector fill) 将向量vector的所有元素设置为fill。

例：一个对向量中元素求和的函数。

(define (vector-add v1 v2)
  (let ((lenv1 (vector-length v1))
         (lenv2 (vector-length v2)))
    (if (= lenv1 lenv2)
      (let ((v (make-vector lenv1)))
        (let loop ((i 0))
            (if (= i lenv1)
                 v
               (begin
                 (vector-set! v i (+ (vector-ref v1 i) (vector-ref v2 i)))
                 (loop (1+ i))))))
              (error "different dimensions."))))

练习1

编写一个用于计算两向量内积的函数。

14.3 结构体

14.3.1 大体功能

虽然R5RS中没有定义结构体，但是在很多Scheme实现中，都实现了类似于Common Lisp中的结构体。这些结构体本质上来说都是向量。每一个槽都通过使用一个宏来命名，我将会在下一章（十五章）中讲解这个问题。结构体通过不同的属性清楚地表示数据。定义结构体的宏自动为结构体创建读取（accessor）函数和设置（setter）函数。你可以通过“程序”来写程序，这被认为是Lisp/Scheme最好之处之一。

14.3.2 MIT-Scheme中的结构体

在MIT-Scheme中，结构体通过函数define-structure来定义。为了使你更加容易理解，我会用一个实例来讲解。请考虑书籍。书籍都有下列属性：

• 标题
• 作者
• 出版商
• 出版年份
• ISBN号

因此结构体book就可以像下面这样定义：

(define-structure book title authors publisher year isbn)

下面演示了如何注册《大教堂与市集（The Cathedral and Bazaar）》。

(define bazaar 
  (make-book 
   "The Cathedral and the Bazaar"
   "Eric S. Raymond"
   "O'Reilly"
   1999
   0596001088))

然而，这样做多多少少有点不便，因为属性与值的关联并不清楚。参量keyword-constructor可以用于解决这个问题。下面的代码就是使用这个参量的重写版，这个版本中，属性与值的关联就非常清楚了。更进一步来说，制定这个参量后，参数的顺序就不重要了。

参量copier可用于为结构体创建一个拷贝（copier）函数。

(define-structure (book keyword-constructor copier) 
  title authors publisher year isbn)

(define bazaar 
  (make-book 
   'title "The Cathedral and the Bazaar"
   'authors "Eric S. Raymond"
   'publisher "O'Reilly"
   'year 1999   
   'isbn 0596001088))

• 一个名字形如[结构体名称]?的函数用于检查某对象是否为特定结构体。例如，可使用函数book?来检查bazaar是否为book结构体的一个实例。

(book? bazaar)
;Value: #t

• 一个名字形如copy-[结构体名称]的函数用于拷贝结构体。例如，下面的代码演示了将bazaar拷贝到cathedral。

(define cathedral (copy-book bazaar))

• 一个名字形如[结构体名称]-[属性名称]的函数用于读取结构体某属性的值。例如，下面的代码演示了如何读取bazaar的title属性。

(book-title bazaar)
;Value 18: "The Cathedral and the Bazaar"

• 一个名字形如set-[结构体名称]-[属性名称]!用于将某属性设定为特定值。下面的代码演示了如何将bazaar的year字段更新到2001（《大教堂与市集》2001年再版）。

(set-book-year! bazaar 2001)
;Unspecified return value

(book-year bazaar)
;Value: 2001

请参阅MIT/GNU Scheme Reference: 2.10 Structure Definitions以获得关于结构体的跟多信息。

14.4 The Mastermind — 一个简单的密码破解游戏

作为向量的示例，我会演示一个简单地密码破解游戏。这是一个猜对手密码的游戏。密码是由0到9中四个不同的数组成的四位数。