scheme 学习:continuation (1)
continuation是在scheme中被提出和实现的,经典的应用有:no-local exit,exception,back-tracking算法,coroutine等.
所谓continuation,其实本来是一个函数调用机制。我们熟悉的函数调用方法都是使用堆栈,采用Activation record或者叫Stack frame来记录从最顶层函数到当前函数的所有context。
Continuation则是另一种函数调用方式。它不采用堆栈来保存上下文,而是把这些信息保存在continuation record中。这些continuation record和堆栈的activation record的区别在于,
它不采用后入先出的线性方式,所有record被组成一棵树(或者图),从一个函数调用另一个函数就等于给当前节点生成一个子节点,然后把系统寄存器移动到这个子节点。
一个函数的退出等于从当前节点退回到父节点。这些节点的删除是由garbage collection来管理。如果没有引用这个record,则它就是可以被删除的。
这样的调用方式和堆栈方式相比的好处在哪里呢?最大的好处就是,它可以让你从任意一个节点跳到另一个节点。而不必遵循堆栈方式的一层一层的return方式。
比如说,在当前的函数内,你只要有一个其它函数的节点信息,完全可以选择return到那个函数,而不是循规蹈矩地返回到自己的调用者。
continuation 的三个特性:
continuation as first-class,简单地说就是 continuation 也可以视为一等公民,可以当做参数被传递和返回;
continuation is represented by procedure,也就是说可以视 continuation 为过程,可以调用它,本来也应该如此,因为 continuation 表示的正是“将来要做的事情;
假设 call/cc 捕捉了当前的 continuation,并绑定到 lambda 的参数 cc,那么在 lambda 函数体内,一旦 cc 被直接或间接的作为过程调用,那么 call/cc 会立即返回,
并且提供给 cc 的参数即为 call/cc 的返回值。
下面先用一个no-local exit的使用作为例子:
(define (search-element element lst) (display (call/cc (lambda (break) (for-each (lambda (item) (if (equal? item element) (break #t))) lst) #f))) ;;;;(break)会跳转到这里 (display " end of search-element\n") )
上面代码的作用是从一个list中搜索给定的元素,如果找到返回#t,否则返回#f.
先让我们看下输出:
> (search-element 0 '(1 2 3 4))
#f end of search-element
> (search-element 3 '(1 2 3 4))
#t end of search-element
search-element使用call/cc方式调用了一个匿名函数,这个匿名函数返回一个boolean类型的值,所以这个返回值也就是search-element的返回值.
匿名函数中的参数break就是当前函数的continuation.当这个continuation被作为过程调用时将会应用continuation的第三个特性.
下面再来看一个复杂点的例子,一个generate,当generate被调用时,每次从其输入的序列中输出下一个元素,当到达序列的尾部时输出'end.
(define (for-each proc items) (define (iter things) (cond ((null? things)) (else (proc (car things)) (display "come back\n") (iter (cdr things))))) (iter items)) (define (generate-one-element-at-a-time lst) ;; Hand the next item from a-list to "return" or an end-of-list marker (define (control-state return) (for-each (lambda (element) (call/cc (lambda (resume-here) ;; Grab the current continuation (set! control-state resume-here) ;; !!! (return element)))) lst) (return 'end)) (define (generator) (call/cc control-state)) ;; Return the generator generator)
我们先来看一下上面代码的输出
> (define generate-digit (generate-one-element-at-a-time '(0 1 2)))
> (generate-digit)
0
> (generate-digit)
come back
1
> (generate-digit)
come back
2
> (generate-digit)
come back
end
> (generate-digit)
come back
end
上面输出奇怪的一个地方在于除了0的上面没有come back,所有的其它输出都跟了come back.我们来看看这到底是什么原因.
当我们第一次调用generate-digit在for-each内部调用proc时,在此例中proc就是(call/cc (lambda (resume-here) ...),call/cc调用捕捉到了当前continuation,
并将其绑定到control-state,这样后面每次调用generate-digit就会使得从continuation中返回,在这里返回点在proc之后,也就是(display "come back\n"),
这就解释了为什么除了第一次generate-digit以外,其后的每次generate-digit都会输出一个come back。
最后,贴一段用continuation实现coroutine的代码结束本文.
(begin ;一个简单的,用continuation实现的协程接口 (define current-coro '());当前获得运行权的coro ;创建coro并返回,fun不会立即执行,由start-run执行 (define (make-coro fun) (define coro (list #f #f)) (let ((ret (call/cc (lambda (k) (begin (set-context! coro k) (list 'magic-kenny coro)))))) (if (and (pair? ret) (eq? 'magic-kenny (car ret))) (cadr ret) ;如果下面代码被执行,则是从switch-to调用过来的 (begin (let ((result (fun ret))) (set-context! coro #f) (set! current-coro (get-from coro)) ((get-context (get-from coro)) result)));fun执行完成后要回到调用者处 ) ) ) (define (get-context coro) (car coro)) (define (set-context! coro context) (set-car! coro context)) (define (get-from coro) (cadr coro)) (define (set-from! coro from) (set-car! (cdr coro) from)) (define (switch-to from to arg) (let ((ret (call/cc (lambda (k) (set-from! to from) (set! current-coro to) (set-context! from k) ((get-context to) arg) arg)))) ret) ) ;启动一个coro的运行,那个coro将会从它在创建时传入的函数开始运行 (define (start-run coro . arg) (let ((param (if (null? arg) arg (car arg)))) (if (null? current-coro) (set! current-coro (make-coro #f))) (switch-to current-coro coro param)) ) ;将运行权交给另一个coro (define (yield coro . arg) (let ((param (if (null? arg) arg (car arg)))) (switch-to current-coro coro param))) ;将运行权还给原来把运行权让给自己的那个coro (define (resume . arg) (let ((param (if (null? arg) arg (car arg)))) (switch-to current-coro (get-from current-coro) param))) (define (fun-coro-a arg) (display "fun-coro-a\n") (yield (make-coro fun-coro-b)) (display "coro-a end\n") "end" ) (define (fun-coro-b arg) (display "fun-coro-b\n") (display "fun-coro-b end\n") "end" ) (define (test-coro1) (start-run (make-coro fun-coro-a)) ) (define (fun-coro-a-2 arg) (define coro-new (make-coro fun-coro-b-2)) (define (iter) (display "fun-coro-a\n") (display (yield coro-new 1))(newline) (iter) ) (iter) ) (define (fun-coro-b-2 arg) (define (iter) (display "fun-coro-b\n") (display(resume 2))(newline) (iter) ) (iter) ) (define (test-coro2) (start-run (make-coro fun-coro-a-2)) ) )