Prolog学习：基本概念

上一篇对Prolog有了一个感性的认识，今天介绍下Prolog中一些基本概念，想要用Prolog解决一些实际问题之前必须要先了解它们。这些概念在《七周七语言》这本书中都有介绍，我简单提炼汇总下，就当给这门小众语言做个宣传吧。

变量/规则/知识库

在Prolog中变量的命名是有特殊要求的，如果一个词以小写字母开头，它就是一个原子(atom)，类似于其他语言中的符号(symbol)，如果一个词以大写或下划线开头，那么它就是一个变量，和其他语言一样变量值可以改变，可以赋值（不过更灵活）。

符号组成一些事实：

likes(zhangsan,lisi).
likes(wangwu,lisi).
likes(chenliu,maqi).

符号和变量在一起可以用来定义规则：

friend(X,Y):- \+(X = Y),likes(X,Z),likes(Y,Z).

事实是我们对这个世界直接观察的结果。规则是关于现实世界的逻辑推论。

事实 + 规则 = 知识库。

上面的规则可以叫做friend/2因为它有两个参数（类似C#方法中的形参），:-读作“如果”，“如果”后面是由一系列“子目标”组成，子目标之间可以是且的关系，用“,”分割，也可以是或者的关系，用“.”表示。Prolog就是通过验证规则来回到我们yes或no的，如果参数能满足所有子目标就是yes。

合一（unification）

 合一是Prolog中一个非常重要的概念。简单的来说合一就相当于其它语言中的赋值：

cat(lion).
cat(tiger).

dorothy(X,Y,Z) :- X = lion,Y = tiger,Z = bear.
twin_cast(X,Y) :- cat(X),cat(Y).

合一的意思是：找出那些使规则匹配的值。

所以执行dorothy(lion,tiger,bear).这句，Prolog会返回yes:

dorothy/3规则的右侧，Prolog将lion赋值给X,tiger赋值给Y,bear赋值给Z，就像在命令式语言中这样：

var X = lion;
var Y = tiger;
var Z = bear;

这些值和左侧（也就是dorothy(lion,tiger,bear)）对应的值相匹配，所以合一成功。

不过真正让合一发挥作用的是因为它在规则的两侧都能工作，在GNU Prolog中执行下面的语句：

dorothy(One,Two,Three).

会得到这样的结果：

在规则右侧Prolog还是分别将X,Y,Z和lion,tiger,bear进行绑定，而在规则的右侧，Prolog是的One,Two,Three分别和X,Y,Z进行合一了：

One = X = lion;
Two = Y = tiger;
Three = Z = bear;

并且合一的情况有时候不是唯一的，我们如下执行上面的twin_cast规则：

twin_cast(One,Two).

可以通过“;”来进行追问，有时候我们可能不满足于一个答案。

怎么样你是不是已经预见到合一在Prolog中发挥的至关重要的作用了：输出。

列表/元组

只要是语言都会有数据结构，因为程序 = 算法 + 数据结构。

Prolog中有两个非常重要的数据结构：列表和元祖。列表是变长的容器：像[1,2,3]这样表示，元组是定长的容器，像(1,2,3)这样表示。两个数据结构非常简单，但是和合一配合起来的时候会十分强大。

| ?- (1,2,3) = (1,2,3).

yes

　| ?- [A,B,C] = [A,B,C].

yes

如果两个元组拥有的元素数量相同并且每个元素可以合一 ，则它们整体就是合一的。

加入变量会更有趣：

| ?- [A,B,C] = [1,2,3].

A = 1
B = 2
C = 3

yes

并且变量在哪一侧无所谓，只要Prolog认为它们可以相同，那么就可以合一:

| ?- [A,2,C] = [1,B,3].

A = 1
B = 2
C = 3

(16 ms) yes

这让我想到小时候玩的一种扑克牌游戏了，当抓到大王或小王的时候，我可以把它看做是任何一张牌。

另外列表拥有一个元组不拥有的功能，这个功能在后面介绍的递归中会被广泛使用。　那就是通过[Head|Tail]解析列表，很简单看个例子就明白了：

| ?- [Head|Tail] = [1,2,3,4].

Head = 1
Tail = [2,3,4]

yes

Head绑定到1，Tail绑定到剩下的元素，Tail仍然是一个列表。因为Prolog的变量是没有数据类型之分的，所以它可以很容易的绑定为列表或元组，这点有点动态语言的性质，Prolog中也有匿名变量：

| ?- [a,b,c,d,e]=[_,_|[Head|_]].

Head = c

yes

这样我们就能指定提取列表中某一个元素了。

递归

我们趁热打铁看看Prolog中递归是怎么发挥作用的，留心它和命令式语言中的不同。

我们就以经典的斐波那契数列做例子吧，我们先来看下命令式语言是如何实现，这个再熟悉不过了：

static void Main(string[] args)
{
     Console.WriteLine(Fibonacci(8));

     Console.ReadKey();
}

static int Fibonacci(int n)
{
     if (n == 1) return 0;
     if (n == 2) return 1;
     return Fibonacci(n - 2) + Fibonacci(n - 1);
}    

 

在看Prolog是如何实现之前，我们先来描述一下关于斐波那契数列的既定事实和规则，因为Prolog正是基于事实和规则的一门语言：

• 第一个数是0；
• 第二个数是1；
• 从第三个数开始等它前面两个数之和。

好了和上面对应的Prolog的代码也是三行：

fibonacci(1,0).
fibonacci(2,1).
fibonacci(N,V) :- N > 2, N1 is N -1, N2 is N -2, fibonacci(N1,V1),fibonacci(N2,V2), V is V1 + V2.

注：is是Prolog中内置的一个谓词。

比较起来你可能觉得和C#代码差不多，都很简洁，Prolog有什么特别的或者说优势呢？其中区别各位自己体会吧，我也在慢慢体会，这个区别就是声明式语言和命令式语言之间的区别。

这个例子太简单不能很好体现Prolog的优势，下一篇文章我们看下用Prolog是如何解决数独和八皇后问题的。我们来看下《七周七语言》这本书中几个递归的例子，也许你能感兴趣不妨试试：

count(0,[]).
count(Count,[Head|Tail]):- count(TailCount,Tail),Count is TailCount + 1.

sum(0,[]).
sum(Total,[Head|Tail]):- sum(Sum,Tail),Total is Sum + Head.

average(Average,List):- sum(Sum,List),count(Count,List),Average is Sum/Count.

count是求列表元素的个数，sum是求和，average是求平均值。

内置谓词

所谓内置的谓词，可以简单理解为Prolog提供的一些基本“功能”，就像.net中的一些类库一样。上面提到的is就是。

length：获取列表的长度：

| ?- length([1,2,3],L).

L = 3

yes

append:可以用来合并两个列表，当然还有很多其他功能：

| ?- append([1],[2],What).

What = [1,2]

yes

用于列表的减法：

| ?- append([1],What,[1,2,3]).

What = [2,3]

yes

排列组合：

| ?- append(One,Two,[1,2,3,4]).

One = []
Two = [1,2,3,4] ? ;

One = [1]
Two = [2,3,4] ? ;

One = [1,2]
Two = [3,4] ? ;

One = [1,2,3]
Two = [4] ? ;

One = [1,2,3,4]
Two = []

(15 ms) yes

fd_domain:验证值是否在一个范围之内：

| ?- fd_domain(1,1,4).

yes

| ?- fd_domain([1,2,3,4],1,4).

yes

| ?- fd_domain([1,2,3,5],1,4).

no

fd_all_different:检查列表中是否有重复元素：

| ?- fd_all_different([1,2,3]).

yes
| ?- fd_all_different([1,2,1]).

no

member:检查某一个值是否在一个列表内：

| ?- member(1,[1,2]).

true ? 

yes
| ?- member(3,[1,2]).

no

 

好了关于Prolog的基本概念就介绍到这，下一篇文章我们会看下通过这些基本概念Prolog是如何解决一些复杂问题的。想了解更多推荐大家去看看这本书。