初识Continuation

作者：陆艺

上学时看了SICP之后就对scheme这个看上去比较古怪的语言产生了兴趣. 虽然书里并没有涉及scheme太多语法以及语言上特性的一些东西, 作为一个喜欢折腾的人, 手贱翻了翻Google, 了解到有continuation这样一个吊吊的东西, 于是借着有限的脑力学习了下.

基本概念

continuation的中文一般都叫做"续延"(还蛮好听的), 不过解释起来比较麻烦, 还是结合代码来看更好理解一点.

首先scheme里的continuation(太长了, 下文缩写为cont吧)的基本形式是长这个样子的:

(call/cc
  (lambda (cc)
    ; do some computation)
)

call/cc是call-with-current-continuation的缩写, lambda的参数cc就是当前环境的一个cont, 可以理解为当前的调用栈, 它知道自己未来需要执行的过程. 那么怎么表示"未来的计算"这样一个概念呢? 在编程语言中自然就是函数了, 而在scheme中就是过程(procedure), 更一般的就用lambda来表示. cc就是这样一个只接受一个参数的lambda, 而调用(cc val)则是整个cont动作的关键----它将流程跳回cont定义的位置, 并以val代换为其计算出的结果.

来暴力理解一下, 把(call/cc ..) (rest code..)看做这样一个结构[] (rest code ..), 在(cc val)的时候直接回到了[]的地方, 并将其替换为了val.

看一个简单(似乎不是特别简单)的例子:

(+ 1 (call/cc)
      (lambda (cc) (+ 2 (cc 3)))
)

一步步来:

1. 整个block可以看做(+ 1 [])
2. 再看[]内部: (lambda (cc) (+ 2 (cc 3))), 这个lambda的body是会被执行的
3. (cc 3)以3为参数调用cont, 则跳转到其定义的地方[]将其替换
4. 最后变为(+ 1 3), 结果为4
5. (+ 2 ..)的部分并没有luan3用 :P

基本用法

Jump out

这个用法有个名字叫"非本地退出(non-local exit)", 说白了就是现代编程语言里break啦, exit啦这些东西.

• scheme没有这些关键字
• scheme觉得它们不够old-school
• scheme决定这么搞

(define (search wanted? lst)
  (call/cc
    (lambda (return)
      (for-each (lambda (e)
                  (if (wanted? e) (return e)))
                lst)
      #f
    )
  )
)

功能很直白, 从一个list里找到符合条件的元素, 不存在就返回#f. return的用法是直接从for-each的循环中跳出了. 这里最后的#f可不可以写成(return #f)? 当然可以, 不过整个lambda都计算完了, 自然是返回最后一个计算值, 所以可以直接省略啦.

另一个例子

(define (list-product list)
  (call/cc
    (lambda (exit)
      (let iter ((rest lst))
        (cond
          ((null? rest) 1)
          ((zero? (car rest)) (exit 0))
          (else (* (car rest) (iter (cdr rest))))
        )
      )
    )
  )
)

对一个list完成fold计算乘积的操作, 中途如果遇到0则立即退出, 避免了不必要的遍历.

Jump back

在scheme里, cont和lambda一样都是一等公民, 它自然也可以被当做参数抛来抛去, 或者跟其他变量进行绑定.

(define return #f)
(+ 1 (call/cc
      (lambda (cont) (set! return cont) 1)
     )
)

老样子一步一步看:

1. 全局定义一个return(绑定啥值无所谓)
2. 替换cont形式: (+ 1 [])
3. 在lambda body中, return与cont[]绑定!
4. 1作为返回值, 则(+ 1 [])结果为2

然而并没有结束, 此时return本身已经作为一个"+1器"存在了, 它代表的cont即(+ 1 []), 每次调用(return v)便会得到v + 1.

Jump out and Jump back

看到这里, 可以感觉到cont是能作为程序流控制的手段的, 用来完成一些比较时髦的动作, 比如大家都喜欢的协程 :P

所以接下来看一个模拟协程计算的较复杂的例子:

(define (hefty-computation do-other-stuff) ; 主要复杂计算
 (let loop ((n 5))
   (display "Hefty computation: ")(display n)(newline)
   (set! do-other-stuff (call/cc do-other-stuff)) ; (1)
   (display "Hefty computation (b)\n")
   (set! do-other-stuff (call/cc do-other-stuff)) ; (3)
   (display "Hefty computation (c)\n")
   (set! do-other-stuff (call/cc do-other-stuff))
   (if (> n 0) (loop (- n 1)))
 )
)

(define (superfluous-computation do-other-stuff) ; 次要计算
  (let loop ()
    (for-each (lambda (item)
                (display item)(newline)
                (set! do-other-stuff (call/cc do-other-stuff))) ; (2)
              '("Straight up." "Quarter after." "Half past."  "Quarter til.")
    )
    (loop) ; this trigger inf loop
  )
)

(hefty-computation superfluous-computation)

为了大家(我自己)能简单的看懂, 我们走的慢一些:

1. 分别定义了两个过程: 主要计算和次要计算; 以调用主要计算开始, 参数为次要计算本身
2. 开始主要计算, 进入loop(第一次), 打印"Hefty computation: 5"
3. (1)处call/cc以次要计算为参数, 结合后者定义, 则有(为了方便, 分别记两个两个过程的参数为do1和do2):
4. 主要计算产生第一个cont, (set! do1 []-1)
   1. 开始次要计算, 参数do2为上一步的[]-1, 进入loop(第一次), for-each打印列表中第一个"Straight up."
   2. 到达(2) (call/cc do2), 此时次要计算产生一个cont, 记为[]-2, 同时完成do2也就是[]-1的计算, 流程回到了(1), 且将do1绑定到了[]-2
5. 从(1)后继续主要计算, 打印"Hefty computation (b)"
6. 主要计算(3)处产生第二个cont[]-3, 形式和上次一样; 由于参数do1实际上是[]-2, 则:
   1. 跳转到[]-2即(2)处继续执行, 此时set!将[]-2的返回值即[]-3绑定到do2
   2. for-each的第二个循环打印"Quarter after."
   3. 流程又到(2)处, (call/cc []-3), 并产生当前的cont[]-4, 作为[]-3的参数; 执行[]-3的计算, 于是又回到了(3)处
7. do1绑定为[]-4, 且打印"Hefty computation (c)"
8. 接下来的过程类似上面, 即不断的在主要计算和次要计算之间跳来跳去(和协程的切换是一样的)

看上去似乎有点晕, 总结一下这个用法的关键在于:

(call/cc cc)实际上是将当前的cont作为参数contcc的结果, 然后通过执行cc跳转到cont创建时的地方; 之后通过set!将之前的cont(即cc的结果)保存下来, 然后再次通过(call/cc cont)跳回去, 如此往复.

最后一个例子

(let* ((yin  ((lambda (cc) (write-char #\@) cc) ; proc
              (call/cc (lambda (c) c))))        ; arg
       (yang ((lambda (cc) (write-char #\*) cc) ; proc
              (call/cc (lambda (c) c)))))       ; arg
  (yin yang)
)

这是网上流传很久的yin-yang puzzle, 程序会不停的交替打印"@*@**@***@ ...". 这个例子大家可以尝试自己拿纸笔推一下(虽然过程特别的绕, 但是通过不断代换的笨办法还是可以一战的), 或者可以看一下这个解答就比较好理解了, stay calm :P

时至今日我仍然没有完整的学完scheme.. 这里也只是简单的介绍了下自己对continuation及用法的基本理解, 欢迎各位大大多加指正.

ref:

• http://geek-zh.net/cps-and-call-cc/
• http://www.ituring.com.cn/article/53793
• http://community.schemewiki.org/?call-with-current-continuation
• http://stackoverflow.com/questions/2694679/how-does-the-yin-yang-puzzle-work/36513942#36513942

本文来自网易实践者社区，经作者陆艺权发布