铁定不纯的IO_Haskell笔记5
写在前面
一直有个疑惑,Haskell号称纯函数式语言,那么铁定不纯的场景(肯定有副作用,或者操作本身就是副作用)如何解决?
比如(伪)随机数、I/O等,一个纯函数的随机数发生器肯定是不存在的,那要如何处理这种场景呢?
Haskell的做法其实类似于React的componentDidMount()等组件生命周期函数,React建议(道德约束)保持render()是纯函数,带有副作用的操作挪到componentDidMount()等生命周期中。也就是通过生命周期钩子,把纯的和不纯的区分开。Haskell提供了do语句块,也是用来隔离不纯的部分的
一.I/O action
先看个函数类型:
> :t printprint :: Show a => a -> IO ()
print函数接受一个Show类参数,返回一个IO (),称之为I/O Action,也是一种类型,如下:
> :k IOIO :: * -> *> :k IO ()IO () :: *> :i IOnewtype IO a = GHC.Types.IO (GHC.Prim.State# GHC.Prim.RealWorld -> (# GHC.Prim.State# GHC.Prim.RealWorld, a #)) -- Defined in ‘GHC.Types’instance Monad IO -- Defined in ‘GHC.Base’instance Functor IO -- Defined in ‘GHC.Base’instance Applicative IO -- Defined in ‘GHC.Base’instance Monoid a => Monoid (IO a) -- Defined in ‘GHC.Base’
从类型上看,IO与Maybe :: -> 类似,都是接受一个具体类型参数,返回具体类型(比如IO ())
P.S.其中,newtype与data类型声明类似,语法和用法也都基本相同,newtype是更严格的类型声明(直接换成data也能正常用,data换newtype就不一定了),具体区别是:
data can only be replaced with newtype if the type has exactly one constructor with exactly one field inside it.
二.用户输入
可以通过I/O Action获取用户输入,例如:
main = do line <- getLine if null line then return () else do -- do用来合成action putStrLn line main
上面示例是个简单的echo程序,getLine取一行输入,返回IO String,并通过<-运算符把String取出来,赋值给line变量,为空则什么都不做(返回IO (),结束),否则把该行内容通过putStrLn输出到标准输出并换行,并递归执行main
其中,main表示入口函数(与C语言类似),do用来把多个I/O Action合并成一个,返回被合并的最后一个I/O Action。另外,do语句块里的I/O Action会执行,所以do语句块有2个作用:
可以有多条语句,但最后要返回I/O Action圈定不纯的环境,I/O Action能够在这个环境执行
类比JS,组合多条语句的功能类似于逗号运算符,返回最后一个表达式的值。圈定不纯环境类似于async function,I/O Action只能出现在do语句块中,这一点类似于await
P.S.实际上,执行I/O Action有3种方式:
绑定给main时,作为入口函数
放到do语句块里
在GHCi环境输入I/O Action再回车,如putStrLn "hoho"
执行
可以把main当做普通函数在GHCi环境下执行,例如:
> :l echo[1 of 1] Compiling Main ( echo.hs, interpreted )Ok, modules loaded: Main.> mainwhat?what?
输入空行会退出,输入其它内容会按行原样输出
也可以编译得到可执行文件:
$ ghc --make ./echo.hs[1 of 1] Compiling Main ( echo.hs, echo.o )Linking echo ...$ ./echoherehere
三.Control.Monad
Control.Monad模块还提供了一些适用于I/O场景函数,封装了一些固定的模式,比如forever do、when condition do等,能够简化一些场景
return
return用来把value包成I/O Action,而不是从函数跳出。return与<-作用相反(装箱/拆箱的感觉):
main = do a <- return "hell" b <- return "yeah!" putStrLn $ a ++ " " ++ b
两个用途:
用来制造什么都不做的I/O Action,比如echo示例里的then部分
自定义do语句块的返回值,比如不想把I/O Action直接作为do语句块的返回值,想要二次加工的场景
when
when也是一个函数:
Control.Monad.when :: Applicative f => Bool -> f () -> f ()
可以接受一个布尔值和一个I/O Action(IO属于Applicative类),作用是布尔值为True时值为I/O Action,否则值为return (),所以相当于:
when' c io = do if c then io else return ()
这个东西的类型是:
when' :: Monad m => Bool -> m () -> m ()
所以如果用于I/O的话,第二个参数的返回类型只能是IO (),看起来不很方便,但很适合条件输出的场景,毕竟print等一系列输出函数都满足该类型
sequencesequence :: (Traversable t, Monad m) => t (m a) -> m (t a)
这个类型声明看起来比较复杂:
Traversable :: (* -> *) -> ConstraintMonad :: (* -> *) -> Constraint-- 找两个对应实例,List和IOinstance Traversable [] -- Defined in ‘Data.Traversable’instance Monad IO -- Defined in ‘GHC.Base’
在I/O List的场景(把m换成IO,t换成[]),参数的类型约束是[IO a],返回值的类型约束是IO [a],所以相当于:
sequence' [] = do return []sequence' (x:xs) = do v <- x others <- (sequence' xs) return (v : others)
作用是把I/O List中所有I/O结果收集起来,形成List,再包进IO
P.S.有点Promise.all的感觉,接受一组promise,返回一个新promise携带这组结果
mapM与mapM_
Control.Monad.mapM :: (Traversable t, Monad m) => (a -> m b) -> t a -> m (t b)Control.Monad.mapM_ :: (Foldable t, Monad m) => (a -> m b) -> t a -> m ()
在I/O List的场景,mapM第一个参数是输入a输出IO b的函数,第二个参数是[a],返回IO [b],返回值类型与sequence一致。作用相当于先对[a]做映射,得到I/O List,再来一发sequence,例如:
> mapM (\x -> do return $ x + 1) [1, 2, 2][2,3,3]> mapM print [1, 2, 2]122[(),(),()]
mapM_与之类似,但丢弃结果,返回IO (),很适合print等不关心I/O Action结果的场景:
> mapM_ print [1, 2, 2]122forMControl.Monad.forM :: (Traversable t, Monad m) => t a -> (a -> m b) -> m (t b)
与mapM参数顺序相反,作用相同:
> forM [1, 2, 2] print122[(),(),()]
只是形式上的区别,如果第二个参数传入的函数比较复杂,forM看起来更清楚一些,例如:
main = do colors <- forM [1,2,3,4] (\a -> do putStrLn $ "Which color do you associate with the number " ++ show a ++ "?" getLine) putStrLn "The colors that you associate with 1, 2, 3 and 4 are: " mapM putStrLn colors
P.S.最后用forM(交换参数顺序)也可以,但出于语义习惯,forM常用于定义I/O Action的场景(如根据[a]生成IO [b])
foreverControl.Monad.forever :: Applicative f => f a -> f b
在I/O的场景,接受一个I/O Action,返回一个永远重复该Action的I/O Action。所以echo的示例可以近似地改写成:
echo = Control.Monad.forever $ do line <- getLine if null line then return () else putStrLn' line
在echo的场景体现不出来什么优势(甚至还跳不出去了,除非Ctrl+C强制中断),但有一种场景很适合forever do:
import Control.Monadimport Data.Charmain = forever $ do line <- getLine putStrLn $ map toUpper line
即文本处理(转换)的场景,输入文本结束时forever也结束,例如:
$ ghc --make ./toUpperCase.hs[1 of 1] Compiling Main ( toUpperCase.hs, toUpperCase.o )Linking toUpperCase ...$ cat ./data/lines.txthoho, this is xx.who's that ?$ cat ./data/lines.txt | ./toUpperCaseHOHO, THIS IS XX.WHO'S THAT ?toUpperCase: <stdin>: hGetLine: end of file
通过forever do把文件内容逐渐行处理成大写形式,更进一步的:
$ cat ./data/lines.txt | ./toUpperCase > ./tmp.txttoUpperCase: <stdin>: hGetLine: end of file$ cat ./tmp.txtHOHO, THIS IS XX.WHO'S THAT ?
把处理结果写入文件,符合预期
四.System.IO
之前使用的getLine、putStrLn都是System.IO模块里的函数,常用的还有:
-- 输出print :: Show a => a -> IO ()putChar :: Char -> IO ()putStr :: String -> IO ()-- 输入getChar :: IO ChargetLine :: IO String
其中print用来输出值,相当于putStrLn . show,putStr用来输出字符串,末尾不带换行,二者的区别是:
> print "hoho""hoho"> putStr "hoho"hoho
P.S.IO模块的详细信息见System.IO
getContentsgetContents :: IO String
getContents能够把所有用户输入作为字符串返回,所以toUpperCase可以这样改写:
toUpperCase' = do contents <- getContents putStr $ map toUpper contents
不再一行一行处理,而是取出所有内容,一次全转换完。但如果编译执行该函数,会发现是逐行处理的:
$ ./toUpperCaseabcABCefdEFD
这与输入缓冲区有关,具体见Haskell: How getContents works?
惰性I/O
字符串本身是一个惰性List,getContents也是惰性I/O,不会一次性读入内容放到内存中
toUpperCase'的示例中会一行一行读入再输出大写版本,因为只在输出的时候才真正需要这些输入数据。在这之前的操作都只是一种承诺,在不得不做的时候才要求兑现承诺,类似于JS的Promise:
function toUpperCase() { let io; let contents = new Promise((resolve, reject) => { io = resolve; }); let upperContents = contents .then(result => result.toUpperCase()); putStr(upperContents, io);}function putStr(promise, io) { promise.then(console.log.bind(console)); io('line\nby\nline');}// testtoUpperCase();
非常形象,getContents,map toUpper等操作都只是造了一系列的Promise,直到遇到putStr需要输出结果才真正去做I/O再进行toUpper等运算
interactinteract :: (String -> String) -> IO ()
接受一个字符串处理函数作为参数,返回空的I/O Action。非常适合文本处理的场景,例如:
-- 滤出少于3字符的行
lessThan3Char = interact (\s -> unlines $ [line | line <- lines s, length line < 3])
等价于:
lessThan3Char' = do contents <- getContents let filtered = filterShortLines contents if null filtered then return () else putStr filtered where filterShortLines = \s -> unlines $ [line | line <- lines s, length line < 3]
看起来麻烦了不少,interact函数名就叫交互,作用就是简化这种最常见的交互模式:输入字符串,处理完毕再把结果输出出来
五.文件读写
读个文件,原样显示出来:
import System.IOmain = do handle <- openFile "./data/lines.txt" ReadMode contents <- hGetContents handle putStr contents hClose handle
形式类似于C语言读写文件,handle相当于文件指针,以只读模式打开文件得到文件指针,再通过指针读取其内容,最后释放掉文件指针。直觉的,我们试着这样做:
readTwoLines = do handle <- openFile "./data/lines.txt" ReadMode line1 <- hGetLine handle line2 <- hGetLine handle putStrLn line1 putStrLn line2 hClose handle
一切正常,读取文件的前两行,再输出出来,这个指针果然是能移动的
P.S.类似的hGet/Putxxx含有很多,比如hPutStr, hPutStrLn, hGetChar等等,与不带h的版本类似,只是多个handle参数,例如:
hPutStr :: Handle -> String -> IO ()
回头看看这几个函数的类型:
openFile :: FilePath -> IOMode -> IO HandlehGetContents :: Handle -> IO StringhGetLine :: Handle -> IO StringhClose :: Handle -> IO ()
openFile接受一个FilePath和IOMode参数,返回IO Handle,拿着这个Handle就可以找hGetContents或hGetLine要文件内容了,最后通过hClose释放文件指针相关的资源。其中FilePath就是String(给String定义的别名),IOMode是个枚举值(只读,只写,追加,读写4种模式):
> :i FilePathtype FilePath = String -- Defined in ‘GHC.IO’> :i IOModedata IOMode = ReadMode | WriteMode | AppendMode | ReadWriteMode -- Defined in ‘GHC.IO.IOMode’
P.S.可以把文件指针当做书签来理解,书指的是整个文件系统,这个比喻非常形象
withFilewithFile :: FilePath -> IOMode -> (Handle -> IO r) -> IO r
看起来又是一种模式的封装,那么,用它来简化上面读文件的示例:
readThisFile = withFile "./data/lines.txt" ReadMode (\handle -> do contents <- hGetContents handle putStr contents )
看起来更清爽了一些,越来越多的函数式常见套路,做的事情无非两种:
抽象出通用模式,包括Maybe/Either等类型抽象,forever do, interact等常用模式抽象
简化关键逻辑之外的部分,比如withFile,map, filter等工具函数能够帮助剥离样板代码(openFile, hClose等一板一眼的操作),更专注于关键逻辑
所以,withFile所作的事情就是按照传入的文件路径和读取模式,打开文件,把得到的handle注入给文件处理函数(第3个参数),最后再把handle关掉:
withFile' path mode f = do handle <- openFile path mode result <- f handle hClose handle return result
注意,这里体现了return的重要作用,我们需要在返回结果之前hClose handle,所以必须要有返回自定义值的机制
readFilereadFile :: FilePath -> IO String
输入文件路径,输出IO String,Open/Close的环节都省掉了,能让读文件变的非常简单:
readThisFile' = do contents <- readFile "./data/lines.txt" putStr contentswriteFilewriteFile :: FilePath -> String -> IO ()
输入文件路径,和待写入的字符串,返回个空的I/O Action,同样省去了与handle打交道的环节:
writeThatFile = do writeFile "./data/that.txt" "contents in that file\nanother line\nlast line"
文件不存在会自动创建,覆盖式写入,用起来非常方便。等价于手动控件的麻烦方式:
writeThatFile' = do handle <- openFile "./data/that.txt" WriteMode hPutStr handle "contents in that file\nanother line\nlast line" hClose handleappendFileappendFile :: FilePath -> String -> IO ()
类型与writeFile一样,只是内部用了AppendMode,把内容追加到文件末尾
其它文件操作函数
-- 在FilePath指定的路径下,打开String指定的名字拼上随机串的文件,返回临时文件名与handle组成的二元组
openTempFile :: FilePath -> String -> IO (FilePath, Handle)
-- 定义在System.Directory模块中,用来删除指定文件
removeFile :: FilePath -> IO ()
-- 定义在System.Directory模块中,用来重命名指定文件
renameFile :: FilePath -> FilePath -> IO ()
注意,其中removeFile和renameFile都是System.Directory模块定义的(而不是System.IO中的),文件增删改查,权限管理等函数都在System.Directory模块,例如doesFileExist, getAccessTime, findFile等等
P.S.更多文件操作函数,见System.Directory
参考资料
Haskell default io buffering
Buffering operations
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