format，不只是格式化

LiuTao9292
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《实战Common Lisp》系列主要讲述在使用Common Lisp时能派上用场的小函数，希望能为Common Lisp的复兴做一些微小的贡献。MAKE COMMON LISP GREAT AGAIN。

序言

写了一段时间的Python后，总觉得它跟Common Lisp（下文简称CL）有亿点点像。例如，Python和CL都支持可变数量的函数参数。在Python中写作

def foo(* args):
    print(args)

而在CL中则写成

(defun foo (&rest args)
  (print args))

Python的语法更紧凑，而CL的语法表意更清晰。此外，它们也都支持关键字参数。在Python中写成

def bar(*, a=None, b=None):
    print('a={}\tb={}'.format(a, b))

而在CL中则是

(defun bar (&key (a nil) (b nil))
  (format t "a=~A~8Tb=~A~%" a b))

尽管CL的&key仍然更清晰，但声明参数默认值的语法确实是Python更胜一筹。

细心的读者可能发现了，在Python中有一个叫做format的方法（属于字符串类），而在CL则有一个叫做format的函数。并且，从上面的例子来看，它们都负责生成格式化的字符串，那么它们有相似之处吗？

答案是否定的，CL的format简直就是格式化打印界的一股泥石流。

format的基本用法

不妨从上面的示例代码入手介绍CL中的format（下文在不引起歧义的情况下，简称为format）的基本用法。首先，它需要至少两个参数：

  • 第一个参数控制了format将会把格式化后的字符串打印到什么地方。t表示打印到标准输出；
  • 第二个参数则是本文的主角，名为控制字符串（control-string）。它指导format如何格式化。

听起来很神秘，但其实跟C语言的fprintf也没什么差别。

在控制字符串中，一般会有许多像占位符一般的命令（directive）。正如Python的format方法中，有各式各样的format_spec能够格式化对应类型的数据，控制字符串中的命令也有很多种，常见的有：

  • 打印二进制数字的~B，例如(format t "~B" 5)会打印出101；
  • 打印八进制数字的~O，例如(format t "~O" 8)会打印出10；
  • 打印十进制数字的~D；
  • 打印十六进制数字的~X，例如(format t "~X" 161)会打印出A1；
  • 打印任意一种类型的~A，一般打印字符串的时候会用到。

另外，format的命令也支持参数。在Python中，可以用下列代码打印右对齐的、左侧填充字符0的、二进制形式的数字5

print('{:0>8b}'.format(5))

format函数也可以做到同样的事情

(format t "~8,'0B" 5)

到这里为止，你可能会觉得format的控制字符串，不过就是将花括号去掉、冒号换成波浪线，以及参数语法不一样的format方法的翻版罢了。

接下来，让我们进入format的黑科技领域。

format的高级用法

进制转换

前面列举了打印二、八、十，以及十六进制的命令，但format还支持其它的进制。使用命令~R搭配参数，format可以打印数字从2到36进制的所有形态。

(format t "~3R~%" 36)   ; 以 3进制打印数字36，结果为1100
(format t "~5R~%" 36)   ; 以 5进制打印数字36，结果为 121
(format t "~7R~%" 36)   ; 以 7进制打印数字36，结果为  51
(format t "~11R~%" 36)  ; 以11进制打印数字36，结果为  33
(format t "~13R~%" 36)  ; 以13进制打印数字36，结果为  2A
(format t "~17R~%" 36)  ; 以17进制打印数字36，结果为  22
(format t "~19R~%" 36)  ; 以19进制打印数字36，结果为  1H
(format t "~23R~%" 36)  ; 以23进制打印数字36，结果为  1D
(format t "~29R~%" 36)  ; 以29进制打印数字36，结果为  17
(format t "~31R~%" 36)  ; 以31进制打印数字36，结果为  15

之所以最大为36进制，是因为十个阿拉伯数字，加上二十六个英文字母正好是三十六个。那如果不给~R加任何参数，会使用0进制吗？非也，format会把数字打印成英文单词

(format t "~R~%" 123) ; 打印出one hundred twenty-three

甚至可以让format打印罗马数字，只要加上@这个修饰符即可

(format t "~@R~%" 123) ; 打印出CXXIII

天晓得为什么要内置这么冷门的功能。

大小写转换

你，作为一名细心的读者，可能留意到了，format的~X只能打印出大写字母，而在Python的format方法中，{:x}可以输出小写字母的十六进制数字。即使你在format函数中使用~x也是无效的，因为命令是大小写不敏感的（case insensitive）。

那要怎么实现打印小写字母的十六进制数字呢？答案是使用新的命令~(，以及它配套的命令~)

(format t "~(~X~)~%" 26) ; 打印1a

配合:和@修饰符，一共可以实现四种大小写风格

(format t "~(hello world~)~%")   ; 打印hello world
(format t "~:(hello world~)~%")  ; 打印Hello World
(format t "~@(hello world~)~%")  ; 打印Hello world
(format t "~:@(hello world~)~%") ; 打印HELLO WORLD

对齐控制

在Python的format方法中，可以控制打印出的内容的宽度，这一点在“format的基本用法”中已经演示过了。如果设置的最小宽度（在上面的例子中，是8）超过了打印的内容所占据的宽度（在上面的例子中，是3），那么还可以控制其采用左对齐、右对齐，还是居中对齐。

在CL的format函数中，不管是~B、~D、~O，还是~X，都没有控制对齐方式的选项，数字总是右对齐。要控制对齐方式，需要用到~<和它配套的~>。例如，下面的CL代码可以让数字在八个宽度中左对齐

(format t "|~8<~B~;~>|" 5)

打印内容为|101 |。~<跟前面提到的其它命令不一样，它不消耗控制字符串之后的参数，它只控制~<和~>之间的字符串的布局。这意味着，即使~<和~>之间是字符串常量，它也可以起作用。

(format t "|~8,,,'-<~;hello~>|" 5)

上面的代码运行后会打印出|---hello|：8表示用于打印的最小宽度；三个逗号（,）之间为空，表示忽略~<的第二和第三个参数；第四个参数控制着打印结果中用于填充的字符，由于-不是数字，因此需要加上单引号前缀；~;是内部的分隔符，由于它的存在，hello成了最右侧的字符串，因此会被右对齐。

如果~<和~>之间的内容被~;分隔成了三部分，还可以实现左对齐、居中对齐，以及右对齐的效果

(format t "|~24<left~;middle~;right~>|") ; 打印出|left    middle     right|

跳转

通常情况下，控制字符串中的命令会消耗参数，比如~B和~D等命令。也有像~<这样不消耗参数的命令。但有的命令甚至可以做到“一参多用”，那就是~*。比如，给~*加上冒号修饰，就可以让上一个被消耗的参数重新被消耗一遍

(format t "~8D~:*~8D~8D~%" 1 2) ; 打印出       1       1       2

在~8D消耗了参数1之后，~:*让下一个被消耗的参数重新指向了1，因此第二个~8D拿到的参数仍然是1，最后一个拿到了2。尽管控制字符串中看起来有三个~D命令而参数只有两个，却依然可以正常打印。

在format的文档中一个不错的例子，就是让~*和~P搭配使用。~P可以根据它对应的参数是否大于1，来打印出字母s或者什么都不打印。配合~:*就可以实现根据参数打印出单词的单数或复数形式的功能

(format t "~D dog~:*~P~%" 1) ; 打印出1 dog
(format t "~D dog~:*~P~%" 2) ; 打印出2 dogs

甚至你可以组合一下前面的毕生所学

(format t "~@(~R dog~:*~P~)~%" 2) ; 打印出Two dogs

条件打印

命令~[和~]也是成对出现的，它们的作用是选择性打印，不过比起编程语言中的if，更像是取数组某个下标的元素

(format t "~[~;one~;two~;three~]~%" 1) ; 打印one
(format t "~[~;one~;two~;three~]~%" 2) ; 打印two
(format t "~[~;one~;two~;three~]~%" 3) ; 打印three

但这个特性还挺鸡肋的。想想，你肯定不会无缘无故传入一个数字来作为下标，而这个作为下标的数字很可能本身就是通过position之类的函数计算出来的，而position就要求传入待查找的item和整个列表sequence，而为了用上~[你还得把列表中的每个元素硬编码到控制字符串中，颇有南辕北辙的味道。

给它加上冒号修饰符之后倒是有点用处，比如可以将CL中的真（NIL以外的所有对象）和假（NIL）打印成单词true和false

(format t "~:[false~;true~]" nil) ; 打印false

循环打印

圆括号和方括号都用了，又怎么能少了花括号呢。没错，~{也是一个命令，它的作用是遍历列表。例如，想要打印出一个列表中的每个元素，并且两两之间用逗号和空格分开的话，可以用下列代码

(format t "~{~D~^, ~}" '(1 2 3)) ; 打印出1, 2, 3

~{和~}之间也可以有不止一个命令，例如下列代码中每次会消耗列表中的两个元素

(format t "{~{\"~A\": ~D~^, ~}}" '(:a 3 :b 2 :c 1))

打印结果为{"A": 3, "B": 2, "C": 1}。如果把这两个format表达式拆成用循环写的、不使用format的等价形式，大约是下面这样子

; 与(format t "~{~D~^, ~}" '(1 2 3))等价
(progn
  (do ((lst '(1 2 3) (cdr lst)))
      ((null lst))
    (let ((e (car lst)))
      (princ e)
      (when (cdr lst)
        (princ ", "))))
  (princ #\Newline))

; 与(format t "{~{\"~A\": ~D~^, ~}}" '(:a 3 :b 2 :c 1))等价
(progn
  (princ "{")
  (do ((lst '(:c 3 :b 2 :a 1) (cddr lst)))
      ((null lst))
    (let ((key (car lst))
          (val (cadr lst)))
      (princ "\"")
      (princ key)
      (princ "\": ")
      (princ val)
      (when (cddr lst)
        (princ ", "))))
  (princ "}")
  (princ #\Newline))

这么看来，~{确实可以让使用者写出更紧凑的代码。

参数化参数

在前面的例子中，尽管用~R搭配不同的参数可以将数字打印成不同进制的形式，但毕竟这个参数是固化在控制字符串中的，局限性很大。例如，如果我想要定义一个函数print-x-in-base-y，使得参数x可以打印为y进程的形式，那么也许会这么写

(defun print-x-in-base-y (x y)
  (let ((control-string (format nil "~~~DR" y)))
    (format t control-string x)))

但format的灵活性，允许使用者将命令的前缀参数也放到控制字符串之后的列表中，因此可以写成如下更简练的实现

(defun print-x-in-base-y (x y)
  (format t "~VR" y x))

而且不只一个，你可以把所有参数都写成参数的形式

(defun print-x-in-base-y (x
                          &optional y
                          &rest args
                          &key mincol padchar commachar commainterval)
  (declare (ignorable args))
  (format t "~V,V,V,V,VR"
          y mincol padchar commachar commainterval x))

恭喜你重新发明了~R，而且还不支持:和@修饰符。

自定义命令

要在CL中打印形如2021-01-29 22:43这样的日期和时间字符串，是一件比较麻烦的事情

(multiple-value-bind (sec min hour date mon year)
    (decode-universal-time (get-universal-time))
  (declare (ignorable sec))
  (format t "~4D-~2,'0D-~2,'0D ~2,'0D:~2,'0D~%"
          year mon date hour min))

谁让CL没有内置像Python的datetime模块这般完善的功能呢。不过，借助format的~/命令，我们可以在控制字符串中写上要调用的自定义函数，来深度定制打印出来的内容。以打印上述格式的日期和时间为例，首先定义一个后续要用的自定义函数

(defun yyyy-mm-dd-HH-MM (dest arg is-colon-p is-at-p &rest args)
  (declare (ignorable args is-at-p is-colon-p))
  (multiple-value-bind (sec min hour date mon year)
      (decode-universal-time arg)
    (declare (ignorable sec))
    (format dest "~4D-~2,'0D-~2,'0D ~2,'0D:~2,'0D~%"
            year mon date hour min)))

然后便可以直接在控制字符串中使用它的名字

(format t "~/yyyy-mm-dd-HH-MM/" (get-universal-time))

在我的机器上运行的时候，打印内容为2021-01-29 22:51。

后记

format可以做的事情还有很多，CL的HyperSpec中有关于format函数的详细介绍，CL爱好者一定不容错过。

最后，其实Python跟CL并不怎么像。每每看到Python中的__eq__、__ge__，以及__len__等方法的巧妙运用时，身为一名Common Lisp爱好者，我都会流露出羡慕的神情。纵然CL被称为可扩展的编程语言，这些平凡的功能却依旧无法方便地做到呢。

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