F# 探险之旅-函数式编程(中)

作者: 来源: 日期:2009-7-21
操作符(Operator)

F#中,可把操作符看作一种函数调用的更为优雅的方式。操作符有两种:前缀(prefix)和中缀(infix),前者接受一个操作数(operand),出现在操作数之前;后者接受两个或多个操作数,出现在头两个操作数之间。

F#提供了丰富的操作符集,可用于数字、布尔值、字符串和集合类型。这些操作符数量甚众,限于篇幅,在此不再一一详解。本文将着重介绍如何使用和定义操作符。

类似于C#,F#的操作符也可以重载,也就是说,我们可以将不同的类型用于同一操作符,如“+”;但是与C#不同的是,各个操作数必须为相同的类型。F#的操作符重载规则与C#类似,因此任何BCL或者使用C#编写的.NET类库中的支持操作符重载的类在F#中一样支持重载。
let words = "To live " + "is " + " to function." 

open System
let oneYearLater = DateTime.Now + new TimeSpan(3650000)

我们可以定义自己的操作符,也可以重定义已有的任何操作符(不建议这样做)。看看下面这种不好的做法:
let (+) a b = a – b
print_int (
1 + 2)

看到这里,你想到了什么?是不是:这分明是在定义一个函数嘛!所以我们前面说“可把操作符看作一种函数调用的更为优雅的方式”。我们重定义了“+”操作符,所以“1 + 2”的结果为-1,这当然没什么好处,在VS中使用FSI时,怎样把“+”改回它原本的含义呢?我一般在任务管理器中把fsi进程关掉,再按回车,“+”就回来了。

自定义的操作符不能包含字母和数字,可以使用的字符如下:
!$%&+-./<=>?@^|~
:

操作符的第一个字符可以是上面第一行的任意字符,其后的字符则可以是上面的任意字符了。定义语法与函数类似,除了要将操作括起来。看下面的例子:
let (+^*) a b = (a + b) * (a * b)

结果为30。

列表(Lists)

列表是内置于F#的简单集合类型。可以是一个空表(empty list),使用方括号表示([])。我们可以将一个值与列表连接,此时要使用“::”操作符,注意要将值作为第一个操作数:
let emptyList = []
let oneItem = "one" :: []
let twoItem = "two" :: oneItem

在VS中可以看到oneItem的类型为string list。如果列表包含多个项,用上面的方法显得麻烦了,我们可以使用下面的语法:
let shortHand = ["hello ""world!"]

另外我们还可使用“@”操作符来连接两个列表:
let concatenateLists = ["one, ""two, "] @ ["three, ""four"]

F#要求列表中的元素类型必须是相同的,如果你确实需要列表包含不同类型的元素,那只好创建一个obj(即System.Object)类型的列表了:
let objList = [box 1; box 2.0; box "three"]

其中第三个box是可选的,这个让我想起了C#中的装箱。

F#中的列表是不可修改的,一旦创建就不能修改了。作用于列表的函数和操作符也不能修改列表,而是创建了列表的一个副本。这个特性很像C#中的string类型。看下面的例子:
#light

let printList list =
    List.iter print_string list
    print_newline()

let threeItems = ["one ""two ""three "]
let reversedList = List.rev threeItems

printList threeItems
printList reversedList

 

上面的iter方法接受两个参数,第一个是函数,第二个是列表,其作用是将函数依次应用于列表的每个元素,有点像C#中的foreach循环。而rev方法则返回列表的逆序列表。

打印结果为:
one tow three
three two one

上述两个方法都没有改变原来的列表。要了解关于F#列表的更多信息,建议阅读这篇文章:Mastering F# Lists

列表推导(List Comprehensions)

列表推导的概念源于数学,它使得创建和转换集合的操作变得简单。在F#中可以使用这样的推导语法直接创建列表,序列(sequence)和数组(序列和数组将在后面介绍)。要了解这个概念的更多内容可以查看:List_comprehension

最简单的情况是指定列表的范围,如:
let numericList = [0 .. 9]
let charList = ['A' .. 'Z']

这两个列表的类型分别是int list和char list,范围分别是从0到9和从’A’到’Z’。
更复杂的情况是指定一个步长:
let multipleOfThree = [0 .. 3 .. 30]
let revNumericList = [9.. -1 .. 0]

第一个列表的值是0到30间所有3的倍数,第二个列表的元素则包含了从9递减至0。
我们还可以通过对一个列表进行循环操作得到另一个列表。例如:
let squares = [for x in 1 .. 10 -> x * x]

通过for进行循环,squares列表的元素是1到10间的整数的平方。
此外还可以为循环添加when子句对元素进行过滤,只有when子句的值为true时才对其进行运算:
let evens = [for x in 1 .. 10 when x % 2 = 0 -> x]

evens的元素为[2; 4; 6; 8; 10]。

控制流程(Control Flow)

F#拥有强的控制流程概念,这与很多纯函数式编程语言不同,在这些语言中表达式可以以任何顺序进行求值。看下面的例子:
let absoluteValue x =
    
if x < 0 then
        -x
    elif x = 
0 then
        
0
    
else
        x

if, elif, then, else组成的结构我们应当很熟悉,在F#中该结构是一个表达式,也就是说它需要返回一个值。而且每个分支返回的值应当具有相同的类型,否则就会有编译错误。如果确实要返回多个类型的值,在值前加box关键字,就像前面创建列表时那样,这样表达式的返回类型为obj。

类型与类型推导(Types and Type Inference)

F#是一种强类型的语言,传给函数的值必须是指定的类型。如果函数接受string类型的参数,就不能传给它int类型的值。一种语言处理其中值的类型的方式称为语言的类型系统。F#的类型系统与一般语言不同,包括函数在内,所有的值都具有自己的类型。

通常情况下,我们不需要显式地声明类型,编译器会尝试从值的文字值或调用的函数返回类型来判断其类型,这个过程称为类型推导。可在编译时使用-i开关来显示所有的推导类型,在VS中我们则可以使用工具提示来查看标识符的类型。先看下面值的类型推导情况:
let strValue = "String Value"
let intValue = 12

在fsi中可看到它们的信息是:
val strValue : string
val intValue : int

可以理解,编译器跟据赋给标识符的文字值来推导其类型。再看看下面函数的情况:
let makeMessage x = (string_of_bool x) + " is a boolean value"
let half x = x / 2

在fsi中可看到它们的信息是:
val makeMessage : bool -> string
val half : int -> int

有意思的是,函数名前面也有个val,这表明函数也是值,后面的bool -> string是什么意思呢?它表明函数接受bool类型参数,返回string类型的值,注意x作为string_of_bool的参数,所以x必须为bool类型,返回值是两个字符串相加的值,故返回值也是string类型。对于half函数,单从定义不能确定x类型,此时编译器采用默认的类型int。再看看稍微复杂点的情况:
let div1 x y = x / y
let div2 (x, y) = x / y

这两个函数的信息是:
val div1 : int -> int -> int
val div2 : int * int -> int

div1函数可接受部分参数(可柯里化),而div2则必须同时传入两个int类型的值。考虑下面的函数:
let doNothing x = x

其信息为:
val doNothing : 'a -> 'a

a’ -> a’表示函数接受任意类型,并返回与其相同类型的值。以’打头的类型表示可变类型(variable type),编译器虽然不能确定类型的参数,却能确定返回值类型必须与参数类型相同,类型系统的这种特性称为类型参数化,通过它编译器也能发现更多的类型错误。可变类型或类型参数化的概念,类似于.NET 2.0的泛型,如果F#基于支持泛型的CLI,那么它会充分利用泛型的优势。另外,F#的创建者Don Syme,正是CLR中泛型的设计者和实现者。

F#的类型推导固然强大,但它显然不能揣测出开发人员所有的心思来,如果有特殊需求该怎么办呢?看下面的例子:
let doNothingToFloat (x : float32) = x

float32即System.Single,这里我们手动指定了x的类型,这个有时称为类型标注(type annotation)。如果要在F#中使用其它.NET语言编写的类库,或者与非托管的类库进行互操作,它会很有用。

小结

上一篇,本文继续介绍F#中的函数式编程范式,主要包含了操作符、列表、列表推导、类型推导、类型标注等概念。类型推导又称隐式类型,通常是——但不限于——函数式编程语言的特性,比如C# 3.0和VB.NET 9.0都提供了一定的支持,它使很多编程任务变得更为简单。

参考:
《Foundations of F#》 by Robert Pickering
F# Specs

作者:Anders Cui
出处:http://anderslly.cnblogs.com
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