Изучай Haskell во имя добра! - Миран Липовача

ghci> :k Barry

Barry :: (* –> *) –> * –> * –> *

Ага, мы были правы. Как приятно! Чтобы сделать для типа Barry экземпляр класса Functor, мы должны частично применить первые два параметра, после чего у нас останется сорт * –> *. Следовательно, начало декларации экземпляра будет таким:

instance Functor (Barry a b) where

Если бы функция fmap была написана специально для типа Barry, она бы имела тип

fmap :: (a –> b) –> Barry c d a –> Barry c d b

Здесь тип-параметр f просто заменён частично применённым типом Barry c d. Третий параметр типа Barry должен измениться, и мы видим, что это удобно сделать таким образом:

instance Functor (Barry a b) where

   fmap f (Barry {yabba = x, dabba = y}) = Barry {yabba = f x, dabba = y}

Готово! Мы просто отобразили тип f по первому полю.

В данной главе мы хорошенько изучили, как работают параметры типов, и как они формализуются с помощью сортов по аналогии с тем, как формализуются параметры функций с помощью декларации типов. Мы провели любопытные параллели между функциями и конструкторами типов, хотя на первый взгляд они и не имеют ничего общего. При реальной работе с языком Haskell обычно не приходится возиться с сортами и делать вывод сортов вручную, как мы делали в этой главе. Обычно вы просто частично применяете свой тип к сорту * –> * или * при создании экземпляра от одного из стандартных классов типов, но полезно знать, как это работает на самом деле. Также интересно, что у типов есть свои собственные маленькие типы.

Ещё раз повторю: вы не должны понимать всё, что мы сделали, в деталях, но если вы по крайней мере понимаете, как работают сор та, есть надежда на то, что вы постигли суть системы типов языка Haskell.

8

Ввод-вывод

Разделение «чистого» и «нечистого»

В этой главе вы узнаете, как вводить данные с клавиатуры и печатать их на экран. Начнём мы с основ ввода-вывода:

• Что такое действия?

• Как действия позволяют выполнять ввод-вывод?

• Когда фактически исполняются действия?

Вводу-выводу приходится иметь дело с некоторыми ограничениями функций языка Haskell, поэтому первым делом мы обсудим, что с этим можно сделать.

Мы уже упоминали, что Haskell – чисто функциональный язык. В то время как в императивных языках вы указываете компьютеру серию шагов для достижения некой цели, в функциональном программировании мы описываем, чем является то или иное понятие. В языке Haskell функция не может изменить некоторое состояние, например поменять значение переменной (если функция изменяет состояние, мы говорим, что она имеет побочные эффекты). Единственное, что могут сделать функции в языке Haskell, – это вернуть нам некоторый результат, основываясь на переданных им параметрах. Если вызвать функцию дважды с одинаковыми параметрами, она всегда вернёт одинаковый результат. Если вы знакомы с императивными языками, может показаться, что это ограничивает свободу наших действий, но мы видели, что на самом деле это даёт весьма мощные возможности. В императивном языке у вас нет гарантии, что простая функция, которая всего-то навсего должна обсчитать пару чисел, не сожжёт ваш дом, не похитит собаку и не поцарапает машину во время вычислений! Например, когда мы создавали бинарное поисковое дерево, то вставляли элемент в дерево не путём модификации дерева в точке вставки. Наша функция добавления нового элемента в дерево возвращала новое дерево, так как не могла изменить старое.

Конечно, это хорошо, что функции не могут изменять состояние: это помогает нам строить умозаключения о наших программах. Но есть одна проблема. Если функция не может ничего изменить, как она сообщит нам о результатах вычислений? Для того чтобы вывести результат, она должна изменить состояние устройства вывода – обычно это экран, который излучает фотоны; они путешествуют к нашему мозгу и изменяют состояние нашего сознания… вот так-то, чувак!

Но не надо отчаиваться, не всё ещё потеряно. Оказывается, в языке Haskell есть весьма умная система для работы с функциями с побочными эффектами, которая чётко разделяет чисто функциональную и «грязную» части нашей программы. «Грязная» часть выполняет всю грязную работу, например отвечает за взаимодействие с клавиатурой и экраном. Разделив «чистую» и «грязную»части, мы можем так же свободно рассуждать о чисто функциональной части нашей программы, получать все преимущества функциональной чистоты, а именно – ленивость, гибкость, модульность, и при этом эффективно взаимодействовать с внешним миром.

Привет, мир!

До сих пор для того, чтобы протестировать наши функции, мы загружали их в интерпретатор GHCi. Там же мы изучали функции из стандартной библиотеки. Но теперь, спустя семь глав, мы наконец-то собираемся написать первую программу на языке Haskell! Ура! И, конечно же, это будет старый добрый шедевр «Привет, мир».

Итак, для начинающих: наберите в вашем любимом текстовом редакторе строку

main = putStrLn "Привет, мир"

Мы только что определили имя main; в нём мы вызываем функцию putStrLn с параметром "Привет, мир". На первый взгляд, ничего необычного, но это не так: мы убедимся в этом через несколько минут. Сохраните файл как helloworld.hs.

Сейчас мы собираемся сделать то, чего ещё не пробовали делать. Мы собираемся скомпилировать нашу программу! Я даже разволновался!.. Откройте ваш терминал, перейдите в папку с сохранённым файлом helloworld.hs и выполните следующую команду:

$ ghc helloworld

[1 of 1] Compiling Main   ( helloworld.hs, helloworld.o )

Linking helloworld …

О’кей! При некотором везении вы получите нечто похожее и теперь можете запустить свою программу, вызвав ./helloworld.

$ ./helloworld

Привет, мир

ПРИМЕЧАНИЕ. Если вы используете Windows, то вместо выполнения команды ./helloworld просто запустите файл helloworld.exe.

Ну вот и наша первая программа, которая печатает что-то на терминале! Банально до невероятности!

Давайте изучим более подробно, что же мы написали. Сначала посмотрим на тип функции putStrLn:

ghci> :t putStrLn

putStrLn :: String -> IO ()

ghci> :t putStrLn "Привет, мир"

putStrLn "Привет, мир" :: IO ()

Тип putStrLn можно прочесть таким образом: putStrLn принимает строку и возвращает действие ввода-вывода (I/O action) с результирующим типом () (это пустой кортеж). Действие ввода-вывода – это нечто вызывающее побочные эффекты при выполнении (обычно чтение входных данных или печать на экране); также действие может возвращать некоторые значения. Печать строки на экране не имеет какого-либо значимого результата, поэтому возвращается значение ().

ПРИМЕЧАНИЕ. Пустой кортеж имеет значение (), его тип – также ().

Когда будет выполнено действие ввода-вывода? Вот для чего нужна функция main. Операции ввода-вывода выполняются, если мы поместим их в функцию main и запустим нашу программу.

Объединение действий ввода-вывода

Возможность поместить в программу всего один оператор ввода-вывода не очень-то вдохновляет. Но мы можем использовать ключевое слово do для того, чтобы «склеить» несколько операторов ввода-вывода в один. Рассмотрим пример:

main = do

   putStrLn "Привет, как тебя зовут?"

   name <– getLine

   putStrLn ("Привет, " ++ name ++ ", ну ты и хипстота!")

О, новый синтаксис!.. И он похож на синтаксис императивных языков. Если откомпилировать и запустить эту программу, она будет работать так, как вы и предполагаете. Обратите внимание: мы записали ключевое слово do и затем последовательность шагов, как сделали бы в императивном языке. Каждый из этих шагов – действие ввода-вывода. Расположив их рядом с помощью ключевого слова do, мы свели их в одно действие ввода-вывода. Получившееся действие имеет тип IO(); это тип последнего оператора в цепочке.

По этой причине функция main всегда имеет тип main :: IO <нечто>, где <нечто> – некоторый конкретный тип. По общепринятому соглашению обычно не пишут декларацию типа для функции main.

В третьей строке можно видеть ещё один не встречавшийся нам ранее элемент синтаксиса, name <– getLine. Создаётся впечатление, будто считанная со стандартного входа строка сохраняется в переменной с именем name. Так ли это на самом деле? Давайте посмотрим на тип getLine.

ghci> :t getLine

getLine :: IO String

Ага!.. Функция getLine – действие ввода-вывода, которое содержит результирующий тип – строку. Это понятно: действие ждёт, пока пользователь не введёт что-нибудь с терминала, и затем это нечто будет представлено как строка. Что тогда делает выражение name <– getLine? Можно прочитать его так: «выполнить действие getLine и затем связать результат выполнения с именем name». Функция getLine имеет тип IO String, поэтому образец name будет иметь тип String. Можно представить действие ввода-вывода в виде ящика с ножками, который ходит в реальный мир, что-то в нём делает (рисует граффити на стене, например) и иногда приносит обратно какие-либо данные. Если ящик что-либо принёс, единственный способ открыть его и извлечь данные – использовать конструкцию с символом <–. Получить данные из действия ввода-вывода можно только внутри другого действия ввода-вывода. Таким образом, язык Haskell чётко разделяет чистую и «грязную» части кода. Функция getLine – не чистая функция, потому что её результат может быть неодинаковым при последовательных вызовах. Вот почему она как бы «запачкана» конструктором типов IO, и мы можем получить данные только внутри действий ввода-вывода, имеющих в сигнатуре типа маркёр IO. Так как код для ввода-вывода также «испачкан», любое вычисление, зависящее от «испачканных» IO-данных, также будет давать «грязный»результат.