如何编写一个Quine

# 如何编写一个 quine 来源: https://czterycztery.pl/slowo/quine-EN.html 主页 (https://czterycztery.pl/#en)这是一篇关于如何编写 quine \(https://en.wikipedia.org/wiki/Quine_%28computing%29\) 的文章。quine 是一个不依赖内省(introspection)就能打印自身源代码的程序。我假设读者之前接触过 quine，甚至尝试编写过，并理解它们为何既困难又有趣。文章由两部分组成：第一部分通过一个寓言解释 quine 如何工作，第二部分详细描述如何编写一个 quine。 ## quine 如何工作 现在我来解释如何构建一台能够制造自身副本的机器。当然，最简单的方法是该机器观察自身，了解自己的构造，然后制造一个相同的副本。但能否制造一台不借助内省就能创建自身副本的机器？ 首先，我会制造一台机器，只要给它一份计划，它就能制造任何东西。可以说，这样的机器在插入计划之前并非真正的机器，因为如果直接打开它，它什么也不做——但这点不重要。它仍然很酷：只需插入一份皮划艇的计划，你就得到一台制造皮划艇的机器；插入一份手推车的计划，你就得到一台制造手推车的机器，等等。那么，如果我们插入一份关于它自身的计划，能不能得到一台制造自身副本的机器呢？有一个问题：在计划中，当描绘计划持有者时，该画什么？持有者会是空的吗？如果是空的，那么根据这份计划制造的机器将无法制造任何东西（所以它并不是父机器的真正副本，因为父机器能制造子机器，但子机器却不能）。或者，计划中会显示这台机器精确的计划？这更好，但计划中再嵌套计划时，描绘持有者又该画什么？不幸的是，有两种可能：要么某个计划中的持有者是空的，意味着机器无法制造出完美的副本；要么我们将永远无法画完这份计划。 *我鼓励你在此暂停片刻。想象这一切，直到你感到适应。想象一台机器，只要在它的计划持有器中插入某物的计划，它就能制造该物。想象插入一张书桌（汽车、煎锅、耳机、手机）的计划，按下按钮，它便制造出来。现在想象绘制这台机器的计划，将这个计划插入计划持有器，然后启动机器。父机器产生了一个子机器；我们启动子机器，然后会发生什么？再来一个思想实验：我们绘制这台机器的计划，但这次计划持有器里放着一张书桌的计划，然后启动机器，子机器出来了，我们启动子机器，现在会发生什么？再做一个思想实验：我们绘制这台机器的计划，但这次计划持有器里显示的是这台机器的计划（带有一个空计划持有器）。然后启动机器，子机器出来了，我们启动子机器……你脑海中看到了什么？* 但你可以修改这台机器，让它工作方式略有不同：它先造出计划上画的东西，然后复制计划，在造出的物品上找到标有“这里”的位置，把副本插入进去。而在计划上，我们画上这台机器的精确计划，但计划持有器是空的，并标有“这里”。现在看看当我们启动机器时会发生什么：它会制造自己的副本（没有计划），复制计划，并将其插入计划持有器中。这样一来，它就创造了自身的精确副本。 如果你觉得我在作弊，因为复制计划是一种内省，如果你因为我没有明确定义哪些动作是禁止的内省、而哪些（如复制计划）不是而心烦意乱，那就先别管这些想法。这个关于机器的整个故事并不是一个独立的谜题。它甚至不必完全合理。它只是帮你更好地理解我稍后将写的 quine 为何那样构建以及如何工作。这个与机器的类比对我理解 quine（我将很快写出的那个）帮助很大，所以我把这个故事分享给你。 让我们注意一个细节，它对机器来说无关紧要，但对我实际编写 quine 时很重要：这台机器在造出子机器后，不能立即把它交给按下按钮的人——它必须先短暂持有它，以便插入一份计划的副本。 ### 机器工作方式总结 以下是这台机器工作方式的总结： 1. 有人按下按钮，机器启动 2. 根据计划，它制造出一台能够根据计划制造任何东西的机器 3. 它复制一份计划 4. 它将这份计划拷贝插入到它制造的机器中 5. 它将装备了计划的机器交给按下按钮的人 *我鼓励你在此暂停片刻。想象这一切，直到你感到适应。精确地、一步一步地、在脑海中形象化这台机器如何工作：它如何制造子机器，如何复制计划，如何将副本插入子机器，我们如何启动子机器，这个子机器做什么，我们如何启动孙机器……如此往复。* ## 编写一个 quine ### Python 中的简易 quine 现在我将编写一个 quine——一个打印自身（不使用内省）的程序。首先，我会用 Python 写一个简单的 quine 来展示如何编写 quine，然后我会写几个变体（Python 和其他语言），以展示可能出现的问题及解决方法。 首先，请注意，打印自身的程序是打印某物的程序的一个特例。所以我先写一个打印某物的程序。在 Python 中，最简单的方式是： `` print() `` 这是一个可以打印任何东西的程序——你只需将那个东西插入到括号中。在不插入任何东西时，这个程序是无用的（像没有计划的机器），但例如当我把词*Poland*插入括号中，我就得到了一个打印词*Poland*的程序： `` print('Poland') `` 其次，注意，打印自身的程序是一个打印一个打印自身的程序的程序。而这又是打印一个打印某物的程序的程序的一个特例。所以我们先写一个打印一个打印某物的程序的程序。在 Python 中，最简单的方式是： `` print('print()') `` 这是一个创建可以打印任何东西的程序的程序——你只需将那个东西插入到括号中。它就像一台制造能根据计划制造任何东西的机器的机器，但计划持有器是空的。只要括号中没有插入任何东西，这个程序就是无用的（像一台制造未装备计划的机器的机器），但例如当我将词*Poland*插入括号中，我就得到了一个打印一个打印词*Poland*的程序的程序： `` print('print("Poland")') `` 让我们再次与第一部分中提到的机器进行比较。程序`print()`就像一台可以根据任何东西的计划制造该东西的机器。符号`'print()'`就像这台机器的计划。程序`print('print()')`就像一台能够根据计划制造任何东西的机器，其计划持有器里放着一台能够根据计划制造任何东西的机器（计划持有器为空）的计划。而程序`print('print("Poland")')`就像一台能够根据计划制造任何东西的机器，其计划持有器里放着一台能够根据计划制造任何东西的机器（计划持有器里放着词*Poland*的计划）的计划。注意，这不是打印自身源代码的程序——虽然它打印的是与自身相似的程序的源代码，所以我们已经很接近了。 现在我们需要执行类似于第一部分对机器执行的操作。还记得吗？在子机器的计划中，我在计划持有器里写了*这里*。现在我将做类似的事情。看： `` print('print(here)') `` 还记得我如何修改机器，让它在返回子机器之前，将制造它所依据的计划的一份副本放入它的容器吗？现在我将做类似的事情：我会修改这个程序，使得在创建字符串之后、但显示之前，将这份字符串的副本放置到标有词*here*的位置。目前这做起来不容易，因为创建字符串和显示是在同一个命令中完成的，所以没有时间进行替换。因此，我将在这个程序中将字符串的创建与显示分开： `` string='print(here)'; print(string) `` 但是等等——既然我改变了程序，我也应该改变字符串字面量（程序源代码），使父程序创建一个与自身相似的孩子（你明白吗？类比机器：当我们改变机器时，也必须改变机器的计划，以使父机器创建与自身相似的孩子）： `` string='string=here; print(string)'; print(string) `` 正如你所见，我用蓝色标记了修改过的片段。在本文的其余部分，我将不时这样做。 现在我在程序中添加一个命令，在显示之前将这份字符串的副本插入到词*here*的位置： `` string='string=here; print(string)'; string=string[:7] + string + string[11:]; print(string) `` 注意，我不是通过查找字符串*here*（即通过*查找并替换*方法，也不是通过 Python 的*replace*方法）进行替换，而是通过将字符串在指定位置切片。我这么做是因为这是最简单的。稍后我将展示若尝试其他方法会发生什么。 我运行这个程序，看它是否工作正常。它的输出如下： `` string=string=here; print(string); print(string) `` 还不错，但还有两件事需要修复。首先，插入到*here*位置的字符串应该用引号括起来。Python 中有一个内建函数*repr*，用于此目的。所以我使用它： `` string='string=here; print(string)'; string=string[:7] + repr(string) + string[11:]; print(string) `` 我运行这个程序，看它是否工作。我看到现在它的输出看起来像这样： `` string='string=here; print(string)'; print(string) `` 很好，引号出现了。现在第二件事。既然我修改了程序（因为添加了将所需内容插入*here*位置的代码），我也需要修改字符串字面量（程序源代码）。所以我把程序改为： `` string='string=here; string=string[:7] + repr(string) + string[11:]; print(string)'; string=string[:7] + repr(string) + string[11:]; print(string) `` 我运行这个程序，看它是否工作。我看到它的输出是： `` string='string=here; string=string[:7] + repr(string) + string[11:]; print(string)'; string=string[:7] + repr(string) + string[11:]; print(string) `` 成功！quine 工作了！ 当你思考这个 quine 如何工作时，值得将其与第一部分中写到的制造机器的机器进行比较。只有一个困难：在机器的例子中，机器与机器计划之间的区别是鲜明的。在程序的例子中，文本与文本字面量之间的区别是微妙的。 #### Python 简易 quine 总结 所以再次总结我编写这个简单 Python quine 的三个步骤——同样的步骤可以用于其他语言编写 quine： 1. 我编写了一个创建并打印某程序（该程序能打印某物）的源代码的程序 2. 在创建文本的命令和打印文本的命令之间，我添加了代码，将其字面量放置到文本中的适当位置 3. 既然我修改了程序，我也修改了文本字面量，使其包含这个程序的源代码 ### 如果在这个 Python quine 中使用了*查找并替换*会怎样 你还记得我在编写 Python 简易 quine 时必须将其字面量插入到文本中吗？我指的是当我有一个像这样的程序时：`` text='text=here; print(text)'; print(text) `` 然后我把它改成了： `` text='text=here; print(text)'; text=text[:7] + text + text[11:]; print(text) `` 你可能会想，与其将文本分成两部分——第一部分到第七个字符，第二部分从第十一个字符开始，然后在它们之间插入所需内容——不如使用*查找并替换*（即使用*replace*方法）更简单。那么我来试试。我将替换命令同时添加到程序和程序源代码字面量中： `` text='text=here; text=text.replace(\'here\', text); print(text)'; text=text.replace('here', text); print(text) `` 我运行这个程序，发现出错了。输出看起来像这样： `` text=text=here; text=text.replace('here', text); print(text); text=text.replace('text=here; text=text.replace('here', text); print(text)', text); print(text) `` 程序没有像预期那样工作，因为在文本字面量中，词*here*出现了两次：一次是在它标记需要插入内容的位置，另一次是在*查找并替换*命令中我们指定要查找的文本片段。只有第一个*here*应该被替换，而不是第二个。这个问题可以通过几种方法解决。例如，在*查找并替换*命令中，我们可以尝试引用*here*而不使用词*here*。例如，像这样： `` text='text=here; text=text.replace(\'HERE\'.lower(), text); print(text)'; text=text.replace('HERE'.lower(), text); print(text) `` 或者这样： `` text='text=here; text=text.replace(\'ereh\'[::-1], text); print(text)'; text=text.replace('ereh'[::-1], text); print(text) `` 我运行这个程序看看它怎么工作。我看到这个输出： `` text=text=here; text=text.replace('ereh'[::-1], text); print(text); text=text.replace('ereh'[::-1], text); print(text) `` 还不错。现在我们只需要将插入的文本改为文本字面量：用引号括起来并转义任何特殊字符（例如，*'ereh'*周围的引号）。幸运的是，Python 有内建函数*repr*来做这个（但想象一下，如果我们在 JavaScript 中做这个而没有这样的函数，会有多麻烦）： `` text='text=here; text=text.replace(\'ereh\'[::-1], repr(text)); print(text)'; text=text.replace('ereh'[::-1], repr(text)); print(text) `` 我运行这个程序。我看到这个输出： `` text="text=here; text=text.replace('ereh'[::-1], repr(text)); print(text)"; text=text.replace('ereh'[::-1], repr(text)); print(text) `` 嗯，几乎完美。几乎相同的结果。只是在*repr*函数将程序源代码文本转换为文本字面量时，它处理*'ereh'*周围的单引号转义问题的方式与我不同：它不是转义它们，而是用双引号将文本括起来。如果我想要程序输出与源代码完全相同（不仅仅是引号相似），我需要要么让*repr*函数像我的方式转义，要么修改程序使其像*repr*那样转义。后者更容易。嗯，其实非常容易。我什么都不用做：上面我的程序打印出的文本已经按照*repr*的方式转义了引号。这正是我想要编写的 quine。 所以使用*查找并替换*的 quine 看起来像这样： `` text="text=here; text=text.replace('ereh'[::-1], repr(text)); print(text)"; text=text.replace('ereh'[::-1], repr(text)); print(text) `` 当我运行它时，得到这样的输出： `` text="text=here; text=text.replace('ereh'[::-1], repr(text)); print(text)"; text=text.replace('ereh'[::-1], repr(text)); print(text) ``