Prolog编程的陷阱

# Prolog 编程恐怖 来源：https://www.metalevel.at/prolog/horror 我仿佛听到了那低语般的呐喊：“恐怖！恐怖！”（约瑟夫·康拉德，《黑暗的心》） ## 你为何在此？ 作为 Prolog 程序员，你很可能有种叛逆的倾向。在很多情况下，正是这种倾向引导你远离当今整个行业解决主流问题的方式，去关注那些*超越*常规的东西。本页的目的是向你展示，在哪些情况下追随这种倾向很可能*不*是个好主意——因为代价高昂，且毫无益处。 只需少数几条规则就能写出优秀的 Prolog 代码。违反这些规则会导致程序在一个或多个方面存在缺陷。 *视频*：Prolog 反模式 (https://www.metalevel.at/prolog/videos/antipatterns) ## 恐怖：丢失解 一个*终止*且效率可接受的 Prolog 程序可能在两个主要方面存在*缺陷*： 1. 它报告了*错误*的答案。 2. 它*未能报告*预期的解。 这两种情况哪种更糟糕？好好想想！假设一个程序*仅仅*在第一种方式上有缺陷。你是否还能做些什么来只获得正确的结果？那么，假设一个程序*仅仅*在第二种方式上有缺陷。你又有什么办法能设法获得所有预期的解呢？ 让程序在*第二种*方式上出现缺陷的主要手段是使用*不纯*和*非单调*的语言结构。例子包括 `!/0`、`(->)/2` 和 `var/1`。摆脱这种局面的声明式方法是使用*干净* (https://www.metalevel.at/prolog/data#clean) 的数据结构、像 `dif/2` (https://www.metalevel.at/prolog/concepts#builtins) 这样的*约束*，以及像 **if_/3** (https://www.metalevel.at/prolog/metapredicates#if_3) 这样的元谓词。 ## 恐怖：全局状态 作为初学者，你可能会倾向于修改 Prolog 的*全局数据库* (https://www.metalevel.at/prolog/global)。这会在你的程序中引入*隐含依赖*。所谓“隐含”，是指你的程序中没有*强制*这些依赖关系的东西。例如，如果你以不同于预期的顺序使用这类谓词，它们可能会意外失败或产生奇怪的结果。 让程序以这种方式出现缺陷的主要手段是使用像 `assertz/1` 和 `retract/1` 这样的谓词。声明式的出路是使用谓词*参数*或*半上下文表示法* (https://www.metalevel.at/prolog/dcg#semicontext) 来传递状态。 ## 恐怖：不纯的输出 作为初学者，你有时可能会倾向于将答案*打印*到系统终端，而不是让顶层报告它们。例如，你的程序可能包含这样的代码： ``` solve :- solution(S), format("the solution is: ~q\n", [S]). ``` 这种方法的一个主要缺点是*你很难对这种输出进行推理*，因为它只出现在系统终端上，在程序内部无法作为 Prolog 项使用。因此，你不会为这种输出编写测试用例，从而增加了引入更改破坏这类谓词的可能性。另一个严重缺陷是，这阻止你将代码用作真正的*关系*。 为了从关系的完全通用性中获益，请*用 Prolog 代码描述*一个解，然后*让顶层来负责打印*： ``` solution(S) :- constraint_1(S), etc. ``` 有时，你可能需要特殊的格式化。在这种情况下，你仍然可以以纯方式描述输出，例如使用非终结符 **format\_//2** (https://www.metalevel.at/prolog/dcg#output)。这使得编写测试用例变得容易。 ## 恐怖：低级语言结构 有些 Prolog 程序员可能认为没有必要使用较新的语言结构。例如，CLP(FD) 约束广泛可用才大约 20 年，这对 Prolog 来说算是*相对*近期的发展。如果你认为低级结构已经很好地服务了你，何必费心学习新东西？数百万学生*并没有*因低级结构而受益这一事实也不必困扰你。 不幸的是，坚持使用低级结构代价高昂：它使语言变得比必要情况下更难教、更难学、更难理解。它要求学生*同时*学习声明式语义和操作语义，这在几乎所有情况下都信息量过大。 让 Prolog 比必要情况下更难教的主要手段是向初学者介绍低级算术谓词，如 `(is)/2`、`(=:=)/2` 和 `(>)/2`。声明式的出路是*改用约束来教学*。参见 **声明式整数算术** (https://www.metalevel.at/prolog/clpfd)。 ## 恐怖阶乘 为了看看上述缺陷的具体体现，请目睹***恐怖阶乘***： ``` horror_factorial(0, 1) :- !. horror_factorial(N, F) :- N > 0, N1 is N - 1, horror_factorial(N1, F1), F is N*F1. ``` 注意在*最通用查询* (https://www.metalevel.at/prolog/concepts#toplevel) 时*丢失解*的恐怖： ``` ?- horror_factorial(N, F). N = 0, F = 1. ``` 没有 `!/0` 的版本几乎同样可怕： ``` horror_factorial(0, 1). horror_factorial(N, F) :- N > 0, N1 is N - 1, horror_factorial(N1, F1), F is N*F1. ``` 低级语言结构的恐怖弥漫其中： ``` ?- horror_factorial(N, F). N = 0, F = 1 ; caught: error(instantiation_error,'(is)'/2) ``` 如果你接受这一点，你就： - 被过时的语言结构所限制。 - 将关系误认为是函数。 - 不关心最通用查询。 - 通过使用不纯结构阻止*声明式调试* (https://www.metalevel.at/prolog/debugging)。 ## 出路：纯度 为了停止恐怖，坚持 Prolog 的*纯* (https://www.metalevel.at/prolog/purity) 单调子集。 从小处着手。例如，用更声明式的替代方案代替低级整数算术： ``` horror_factorial(0, 1) :- !. horror_factorial(N, F) :- N #> 0, N1 #= N - 1, horror_factorial(N1, F1), F #= N*F1. ``` 这仍然比什么都没有好。然后，移除 `!/0`： ``` n_factorial(0, 1). n_factorial(N, F) :- N #> 0, N1 #= N - 1, n_factorial(N1, F1), F #= N*F1. ``` 这个版本也适用于*最通用*查询： ``` ?- n_factorial(N, F). N = 0, F = 1 ; N = 1, F = 1 ; N = 2, F = 2 ; N = 3, F = 6 ; ... . ``` 相当不错：一些简单的更改已经得到了一个相当通用的逻辑程序。 ## 结论 总结一下，我建议你*在合理的地方叛逆*，并且*只在*那里叛逆。固守过时的特性是方向错误的叛逆，因为生活不会倒退，也不会停留在昨天。 在你的 Prolog 程序中使用声明式结构，让它们更通用，同时保持可接受的性能。 **更多关于 Prolog 的内容** (https://www.metalevel.at/prolog) **主页** (https://www.metalevel.at/)