纯粹之美——浅谈纯函数式语言Haskell

纯粹之美　■文，韩祝鹏　浅谈纯函数式语言Ｈａｓｋｅｌｌ　纯函数，给定一个特定输入只能有一个特定的输　程　ＨａｓｋｅｌＩ小史　ＨａｓｋｅＩＩ是一个标准的学院派的语言，一　直在学术圈子里面被研究。话说７０年代经历了　Ｆｏ　ｒｔｒａｎ、Ｌｉｓｐ、Ｐｒｏｌｏｇ、Ｃ等语言“生物大爆　炸”之后，学术界开始更加关注函数式语言，这　方面的理论要往前追溯到Ｌａｍｂｄａ演算和Ｈａｓｋｅｌｌ　ＣＵ　ｒｒｙ的逻辑理论等。１　９７７年图灵奖得奖演说　中，约翰．巴克斯的题目就是《程序设计能从冯．诺　依曼体系中解放出来吗？程序的函数式风格及其　代数》。这之后在实验室里出现了大批试验性质　的语言，到了８０年代，这些学术界的人觉得各　自为战太分散力量，于是决定合力搞一个语言，　这就是Ｈａｓｋｅｌｌ的诞生。Ｈａｓｋｅｌｌ的名字就来源　于Ｈａｓｋｅｌｌ　Ｃｕｒｒｙ这个人。　Ｃｕｒｒｙ这个词也是函数式编　程中重要的概念。　在象牙塔里面悠哉游　哉了２Ｏ来年之后，外面的　Ｈａｓｋｅｌ　Ｉ语言ＬＯＧＯ　世界已经翻天覆地了，计　算机史上的２０年，差不多　就像是唐宋演进到明清一般啊。而直到此时，　行业中的开发者才慢慢接受并有意识地引入函　数式编程概念。谈完掌故，再谈谈语言本身。　Ｈａｓｋｅｌｌ的主要特点就是：纯函数式、强类型、　惰性计算，以及对于函数组合和高阶函数的完美　支持。　纯函数式与类型系统　所谓纯函数式，就是指一个函数不能有副作　用，即不能有ｌＯ操作、全局变量操作。对于一个　出，无论调用多少次，无论从哪个ＣＰＵ上调用，　也无论在调用它之前还调用过别的什么，总之只　要输入确定了，输出就确定了。　纯函数的特性有助于程序正确性的验证，方　便测试，也更容易预测一个程序的行为。另外，　这种特性天生就是为多核和并行做好了准备啊！　现在流行的Ｍａｐ／Ｒｅｄｕｃｅ算法框架，就是把数据拆　分成多块扔到多个ＣＰＵ上去计算（Ｍａｐ操作），　然后再合并在一起（Ｒｅｄｕｃｅ操作），这个概念本　身即来自函数式语言。如果通过函数式语言直接　编写计算程序，只需要由底层语言或者类库提供　支持，程序不需大的改动即可实现并行计算。　但是大家可能开始迷惑了，一个纯函数，　不能进行ｌＯ操作，那它怎么读文件？怎么输　出“Ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄ”？怎么访问数据库？别急，　Ｈａｓｋｅｌｌ里面用了Ｍｏｎａｄ的概念，帮助干这些“脏　活”。Ｈａｓｋｅｌｌ是一门通用语言，可以实现所有的　读写文件、访问数据库等功能。但是它把ｌＯ操作　与纯函数严格的隔离开。怎么办到呢？Ｈａｓｋｅｌｌ　的另一个特性：强类型的特性就发挥作用了。　Ｈａｓｋｅｌｌ里面每一个函数都有一个类型签名，整　个程序就像是很多个形状不同的拼图，两个函数　必须形状匹配才能拼装在一起。任何带有副作用　的函数，其类型签名中都会带上一个ＩＯ的类型　标签，这个ＩＯ类型标签就像一个戳，只要带上　了，任何调用它的函数也必须有ｆＯ标签。只有　带有ｌＯ类型标签的函数才能调用另一个带有ｌＯ　标签的函数，而在ＩＯ函数内可以调用纯函数，而　反过来，纯函数却不可以调用带有ＩＯ标签的函　数。绕晕了吗？“Ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄ”登场吧：　ｆａｃｔ：：Ｉｎｔ一＞Ｉｎｔ　ｆａｃｔ　０＝１　ｆａｃｔ　ｎ＝ｎ　ｆａｃｔ（ｎ一１）　ｍａｉｎ：：１０（）　ｍａｉｎ　ｐｒｉｎｔ（ｆａｃｔ　５》　阶乘函数就是函数式语言里面的ＨｅｌＪｏ　ｗｏｒｌｄ。这个ｆａｃｔ函数的类型是Ｉｎｔ一＞Ｉｎｔ，即输入　ｌｎｔ类型参数，输出ｌｎｔ类型结果。在这个函数里　作者简介：　韩祝鹏，从事Ａｎｄｒｏｉｄ应　用产品与运营，曾从事　金山“云安全”服务端　架构开发及运营。喜欢　各种不同范式的编程语　言，尤其钟情于Ｈａｓｋｅｌｌ与　ＳｍａｌＩｔａｌｋ，工作中主要使　用Ｐｙｔｈｏｎ￣，ｌ：ｌＳｈｅｌｆ处理海量　数据。博客地址：ｈｔｔｐ：／／　ｂｌｏｇ　ｃｓｄｎ　ｎｅｔ／ａｌｂｅｒＬ　Ｉｅｅ　２Ｏ１０　Ｏ８　８３　面不能进行任何的ＩＯ操作。看到Ｉｎｔ一＞ｌｎｔ这个类型，我们就　能很放心地说：这个函数不会私下写文件、连数据库或修改　全局变量。我们可以很放心地把它随意移动．位置，或多次调　用，而不必担心出现莫名其妙的错误。　而ｍａｉｎ函数是Ｈａｓｋｅｌｌ的程序入口点，它的类型是ｆＯ　一个ｚｉｐ函数（Ｐｙｔｈｏｎ中同样存在，思路相通）。　ｚｉｐ的函数类型为：　ｚｉｐ：：［ａ］一＞［ｂ］一＞【（ａ，ｂ）】　≈臻　非常直观，不过这里的ａ、ｂ是类型变量，不要搞混。　Ｈａｓｋｅｌｌ代码：　ｉｓｔ！　ｓｔ２　（），它里面调用的ｐｒｉｎｔ函数，类型为：　ｐｒｉｎｔ：：（Ｓｈｏｗ　ａ）：＞ａ一＞ＩＯ（）　ｈｅｌｌｏ　－”ｗｏｒｌｄ　・　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｉ　＿　蠢　．谚；　０　囊　瓢　４　３　３　１、　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＩ、、　在这里我们暂且不管Ｓｈｏｗ　ａ这些，只要注意到它带有　１ｓ　；　ｉｓｔｌ　ｉｓｔ２　。　　ｌ一个ＩＯ（）的部分，说明这个函数进行了ｌｏ操作，有副作用。　ｍａｉｎ函数因为本身是｝ｏ类型的，因此可以调用ｐｒｉｎｔ￣数。但　是在ｆａｃｔ函数中却不能调用ｐｒｉｎｔ函数。　Ｈａｓｋｅｌｌ的求值方式是惰性计算，即把所有的计算都推迟　到其结果真的需要时。惰性不只是推迟下计算的事：它深刻地　影响了我们写程序的方式。我们可以写出下面这样的代码：　ｌ　ｌｎｕｍｂｅｒｌ８　。毒ｆ１．．）　它表示１，２，３，４，５，…．，是一个无限列表。不用担心内　存放不下。因为需要多少，才生成多少：　＞ｔａｋｅ　１０　ｎｕｍｂｅｒｓ　［　２，３，４，５，６，７，８，９，１０］　不过要小心，如果ｐｒｉｎｔ　ｎｕｍｂｅｒｓ，那就要陷入无限的输　出中了，Ｃｔｒｌ—Ｃ停止吧。　程序例子　用一门纯函数式语言编程，需要适应函数式的思路。可能　大家会说了：　“ＦＰ程序实在看不懂啊。”其实，很多时候ＦＰ的　程序是对问题最好的描述方式。还是通过一个例子来说明吧。　两个列表，一个列表中的元素是字符串，一个列表中的　元素是数字，　１ｓｔＩ　＿ｆ．ｈｅ１ｌｏ”，“ｗｏｒｌｄ”，”ｆｕｎｃｔｉｏｎａ１“，　”ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ”］　１ｓｔ２＝［４，３，３，７］　￣Ｅｌｓｔｌ列表中的字符串用Ｉｓｔ２￣０表中的数字来截取，获得　新的列表为：　［“ｈｅｌｌ”，　“ｗｏｒ”，　“ｆｕｎ”，　“Ｐｒｏｇｒａｍ”］　我们先用过程式的思路来解决它，很简单，就是一个ｆｏｒ　循环嘛。用Ｐｙｔｈｏｎ来实现：　ｌＳｔ３　［】　ｆｏｒ　ｉ　ｉｎ　ｒａｎｇｅ（４）：　ｓ　ｌｓｔ１【ｉ］　ｌｅｎｇｔｈ一１ｓｔ２　ｆｉ】　ｌＳｔ３．ａｐｐｅｎｄ（ｓ［：ｌｅｎｇｔｈ］）　这个程序结构我们时常可以看到，对两个列表中对应　的位置合并处理。这很像一条拉链，两列数据对应咬合在一　起。我们有没有想过，可以把这些常见的“模式”提取成一　个通用的语言构件呢？　我们从函数式的思路再考虑这个问题。在Ｈａｓｋｅｌｌ中有　８４　程序员　Ｉｓｔｚ的值为：【（＂ｈｅｌｌｏ＂，４），（”ｗｏｒｌｄ＂，３），（”ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ”，３），　（”ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ”，７）】。　新的列表中每个元素为（Ｓｔｒｉｎｇ，Ｉｎｔ）类型，我们定义一　个处理它的函数，函数类型为：（Ｓｔｒｉｎｇ，Ｉｎｔ）一＞Ｓｔｒｉｎｇ。　ｆｆｕｎ《ｕｎ：：（Ｓ，１）Ｓｔｒｉ　ｎｇ，Ｉｔａｋｅ　ｌ　ｓ　…一＞Ｓｔｒｉｎｇ　《　譬黪　≯　ｌ　０　执行结果为：　＞ｍａｐｆｕｎＩｓｔｚ　—【－＇ｈｅｌｌ＂，＂ｗｏ　＇ｆｕｎ＂，＂ｐｒｏｇｒａｍ’１　我们把程序串起来：　ｉｓｔ　ｍａｐ　ｔｕｎ　ｋ　ｉｐ　ｅｔ　、３ｔ　２、　鼍ｌ－ｔ　把两个列表先ｚｉｐ合并，然后再对每一个元素执行一个　操作，这又是一个很常见的操作模式，能不能再提取出一个　语言的固定构件呢？我们可以把函数当作一个参数，定义这　样一个函数：　ｉｐＡｎｄＭａ　’。“　…　一ｚｉｐＡｎｄＭａｐ　ｆ　１１　２　；　ｍａｐ　ｆ　ｐ　ｎ、、２＞ｆ　ｂ　＿＞［。ｃ｜Ｊ　。萎　ｊ　解释下这个函数的类型定义，其中的（（ａ，ｂ）一＞Ｃ）正好与　前面ｆｕｎ函数的类型相匹配，这里的ａ，ｂ，ｃ是类型变量，　用来实现范型函数的声明。　执行它：　）ＺｉｐＡｎｄＭａｐ　ｆｕｎ　ｊｓｔｌ　Ｉｓｔ２　［’ｔｈｅ　，＂ＷＯ　ｒ”，ｌｆ　’，ｌｐｒ。ｇｒａＩＴＩｌ＇］　＿　０　ｌｌｌｉ　其实Ｈａｓｋｅｌｌ中内置了ｚｉｐＷｉｔｈ函数，其类型为：　ｚｉｐｗｉｔｈ＿．（ａ一　ｂ～　ｅ）一　［ａ］一　［ｂ］一＞ｆｃ】　要使用它我们需要把ｆｕｎ函数的定义稍微修改为：　ｆｕｎ２：：ｓｔｒｉｎｇ一＞Ｉｎ［一＞ｓｔｎｎｇ　曩　＿　ｆｕｎ２　ｓ　ｔａｋｅ　ｓ｜毫　。　执行：　＞ｚｉｐＷｉｔｈ　ｆｕｎ２　ｌｓｔ１　ｌＳｔ２　麓。　ｈｅｌｌ”，”ｗｏｒ”，”ｆｕｎ”，”ｐｒｏｇｒａｍ”］　毫譬。　我们还可以把ｆｕｎ２的定义也去掉，直接使用ｌａｍｂｄａ匿　名函数：　）ｚｉｐＷｉｔｈ　ｒ＼５　ｉ一）ｔａｋｅ　Ｉ　ｓ，Ｉｓｔｌ　ｉｓｔ２窖≯一　（．Ｔｈｅｌｌ”，”ｗｏｒ”，”ｆｕｎ”，”ｐｒｏｇｒａｍ”］　一　至此我们得到了这个问题的一个较为简洁的实现，它把　一个特定问题用一个通用的模式来解决。看到这样的程序，　熟悉ＦＰ思路的人一眼就可以看出其功能，而且我们有理由相　信，它不会有Ｂｕｇ。因￣ｚｉｐＷｉｔｈ以及ｔａｋｅ函数都是经过严　格检验的，它们拼装在一起的行为是可以放心的。　像这样的ｚｉｐＷｉｔｈ函数，以另一个函数作为参数，即称　为高阶函数。高阶函数是我们在编程中进行抽象简化的重要　手段。我们把编程中时常出现的模式，用高阶函数来表达，　不断地将语言表达能力变得更加通用，然后程序员将高阶函　数组合起来，可以更加自然地表达问题。而整个组装的程　序，建立在强大的类型基础上，既保证了程序的灵活表达能　现在提示符变成了　Ｍａｉｎ＞，这表示我们现在在Ｍａｉｎ　模块下。我们可以直接使用这个模块下的值和函数：　Ｍａｉｎ＞ｌｓｔ１　【ｔ．ｈｅｌｌｏ”，”ｗｏｒｌｄ”，”ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ”，”ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ”】　力，又保证了组装的正确。类型系统就如同是山间小路的围　栏，在我们不断提升抽象表达能力的高度时，类型系统保证　了我们不会掉落山涧。　４　使用一些列表操作函数的例子：　Ｍａｉｎ＞１ｅｎｇｔｈ　１ｓｔ１　Ｍａｉｎ＞ｍａｐ　１ｅｎｇｔｈ　１ｓｔｌ　［５，５，１０，１１］　快速上手　Ｈａｓｋｅｌｌ的官方网站：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈａｓｋｅｌ１．ｏｒｇ。这里是　Ｍａｉｎ＞ｔａｋｅ　２　１ｓｔ１　［ｆ．ｈｅｌｉｏ”，”ｗｏｒｌｄ”】　调用程序中的ｍａｉｎ函数　Ｍａｉｎ＞ｍａｉｎ　ｈｅ１１”，”ｗｏｒ　，”ｆｕｎ”，　Ｈａｓｋｅｌｌ语言的大本营，可以找到一切有关Ｈａｓｋｅｌｌ的内容：新　闻，文档，开发环境等。Ｈａｓｋｅｌｌ主要有两种开发环境：ＧＨＣ　和ＨＵＧＳ。它们都是跨平台的，可以运行在ＭａｃＯＳＸ、Ｌｉｎｕｘ　ｌ　ｏ　船Ｈ　ｅ　，ａ．州　１　或者Ｗｉｎｄｏｗｓ上。其中ＨＵＧＳ是一个轻量的解释环境，程序很　Ｕ　ｆ　ｉ　ｍ　ｎ　ｅ　Ｕ　ｒ　ｌ　［ｔｔｈｅｌ１”　”ｗｏｒ”，”ｆｕｎ”，　［ｔ｜ｈｅｌｌ”，”ｗｏｒ”　”ｆｕｎ”，　下面我们将程序编译成可执行文件，使用ｇｈｃ，在命令　￥ｇｈｃ　ｃｓｄｎｓａｍｐｌｅ—ｈｓ’ｏ　ｃｓｄｎ８ａｍｐｌｅ　—一ｄ　ｎ　ｏ＞　轻巧，但不能编译，适合于教学。另外一种ＧＨＣ（Ｇｌａｓｇｏｗ　行下执行：　ｅ　ｌ七ｄ　Ｈａｓｋｅｌｌ　Ｃｏｍｐｉｌｅｒ）在实际中应用更加广泛，它可以编译生成　Ｃ　ｐ　ｅ　：＞　ｌ　０　ｒ　Ｓ　ｍ　ｅ　８．１　ｅ　０　Ｃ　ｐ　ｔ　ｌ　本地代码，并支持并行计算，还提供了很多实用的调优与调试　Ｓ．／ｃｓｄｎｓａｍｐｌｅ　—【’＇ｈｅｌ１”，”ｗｏｒ”，”ｆｕｎ”，”ｐｒｏｇｒａｍ”］　［．－ｈｅ１１”，”ｗｏｒ”，　ｆｕｎ”，’＇ｐｒｏｇｒａｍ”】　［．’ｈｅｌ１”，”ｗｏｒ”，”ｆｕｎ”，”ｐｒｏｇｒａｍ”】　工具。下面我们就以ＧＨＣ为例介绍下Ｈａｓｋｅｌｌ的使用。　ｄ　ｌ　ｄ　ａ　ｎ—ｎ．１　，ｄ　ｅ　ａ　ｇ　ｄ　：　ＧＨＣ有三个主要的组件构成：　ｐ　ａ　ｍ　Ｍ　Ｍ　（１）ｇｈｃ，编译器　ｅ　ｎ　ｉ　．　ｎ　ｈ（　．　８　￥　ｌ　ｉ　ａ　ｐ　ｐ　ｐ　ｒ　ｒ　ｒ　ｒ　（２）ｇｈｃｉ，交互式解释器。它提供了一个类１％ｔＰｙｔｈｏｎ式的　ａ　Ｃ　０　ｏ　０　ｇ　ｇ　ｇ　ｒ　ｒ　ａ　ａ　ｄ　交互环境。使用者可以在其中导入各种模块，进行测试与执行。　ｎ　￥　ｍ　ｍ　ｍ　（３）ｒｕｎｇｈｃ，脚本运行器。可以将Ｈａｓｋｅｌａ　ｌ程序当作脚　ｍ　ｅ　本直接运行，不需要编译。　要安装ＧＨＣ，可以到Ｈａｓｋｅｌｌ的官方网站，下载Ｈａｓｋｅｌｌ　Ｓ　ｐ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ。网址：ｈｔｔｐ：／／ｈａｃｋａｇｅ．ｈａｓｋｅｌ１．ｏｒｇ／ｐｌａｔｆｏｒｍ／。它　区分不同的平台。对于ＭａｃＯＳＸ，Ｗｉｎｄｏｗｓ来说，直接下载　相应平台的安装包安装即可。对于Ｌｉｎｕｘ用户，可以自己编　译或者下载二进制包。如果是Ｕｂｕｎｔｕ或Ｄｅｂｉａｎ用户，也可　以直接用ａｐｔ命令直接安装。　安装好ＧＨＣ后，我们就可以尝试运行下ｇｈｃｉ：　【ｈａｎｚｈｕｐｅｎｇ＠ｌｏｃａｌｈｏｓｔ一】￥ｇｈｃｉ　ＧＨｃｉ，ｖｅｒｓｉｏｎ　６．１０．４：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈａｓｋｅｌ１．ｏｒｇＩｇｈｃｌ　：？ｆｏｒ　ｈｅｌｐ　Ｌｏａｄｉｎｇ　ｐａｃｋａｇｅ　ｇｈｃ—ｐｒｉｍ．．．１ｉｎｋｉｎｇ．．．ｄｏｎｅ．　代码和运行图：Ｅｍａｃｓ中编辑Ｈａｓｋｅｌｌ代码的实际状态．里面有些特殊的　符号是Ｕｎｉｃｏｄｅ显示的。这是ＨａｓｋｅＨ￣；３１Ｅｒｎａｃｓ的一个特色功能。　学习使用Ｈａｓｋｅｌｌ是一个不断探索和收获的过程，希望　本文能成为您深入学习函数式编程的起点。　本文浅显地介绍了Ｈａｓｋｅｌｌ的历史和特性，并用一个简　单的例子对比了过程式与函数式编程的思路区别。Ｈａｓｋｅｌｌ　是一门强大的语言，学习它绝对值得。虽然在实际应用中，　Ｈａｓｋｅｌｌ还有很多的路要走，但是它所体现出的思想，一定会　Ｌｏａｄｉｎｇ　ｐａｃｋａｇｅ　ｉｎｔｅｇｅｒ…ｌｉｎｋｉｎｇ…ｄｏｎｅ．　Ｌｏａｄｉｎｇ　ｐａｃｋａｇｅ　ｂａｓｅ．．．１ｉｎｋｉｎｇ．．．ｄｏｎｅ．　Ｐｒｅｌｕｄｅ＞　在Ｐｒｅｌｕｄｅ＞提示符后，我们可以直接输入命令执行：　Ｐｒｅｌｕｄｅ＞ｐｒｉｎｔ”Ｈｅｉｉｏ　ｗｏｒｉｄ”　”Ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄ”　我们可以把刚才编写的程序调入环境，使用：Ｉ命令载入　深刻的影响你解决问题的思路。不能影晌一个人思想的语言　程序：　不是好语言，Ｈａｓｋｅｌｌ很好，很强大。０　２Ｏ１Ｏ　０８　８５　　●■●■●■●●■■■■■■■■●■■●