Haskell趣学指南

426 Pages·2014·2.811 MB·Chinese

by  [斯洛文尼亚] Miran Lipovaca

Haskell 趣学指南
M. Lipovaca (英) MnO2 (繁) 开源书屋 (简)
2013 年 10 月 3 日
目录
第一章 简介 1
§1.1 关于这份教学 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
§1.2 什么是 Haskell？ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
§1.3 你需要些什么来使用 Haskell 呢？ . . . . . . . . . . . . . . . . 4
第二章 从零开始 6
§2.1 准备好了吗？ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
§2.2 初学者的第一个函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
§2.3 List 入门 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
§2.4 使用 Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
§2.5 List Comprehension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
§2.6 Tuple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
第三章 Types and Typeclasses 27
§3.1 Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
§3.2 Type variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
§3.3 Typeclasses 入门 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
第四章 函数的语法 37
§4.1 模式匹配 (Pattern matching) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
§4.2 什么是 Guards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
§4.3 关键字 Where . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
§4.4 关键字 Let . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
§4.5 Case expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
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第五章 递回 52
§5.1 你好，递回！ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
§5.2 实现 Maximum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
§5.3 来看几个递回函数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
§5.4 “快速” 排序 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
§5.5 用递回来思考 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
第六章 高阶函数 61
§6.1 Curried functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
§6.2 是时候了，来点高阶函数！ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
§6.3 map 与 filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
§6.4 lambda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
§6.5 关键字 fold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
§6.6 有 $ 的函数调用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
§6.7 Function composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
第七章 模组 (Modules) 85
§7.1 装载模组 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
§7.2 Data.List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
§7.3 Data.Char . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
§7.4 Data.Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
§7.5 Data.Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
§7.6 建立自己的模组 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
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第八章 构造我们自己的 Types 和 Typeclasses 117
§8.1 Algebraic Data Types 入门 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
§8.2 Record Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
§8.3 Type parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
§8.4 Derived instances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
§8.5 Type synonyms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
§8.6 Recursive data structures (递回地定义数据结构) . . . . . . . 140
§8.7 Typeclasses 的第二堂课 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
§8.8 yes-no typeclass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
§8.9 Functor typeclass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
§8.10 Kind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
第九章 输入与输出 163
§9.1 Hello, world! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
§9.2 文件与字符流 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
§9.3 命令行引数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
§9.4 乱数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
§9.5 Bytestrings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
§9.6 Exceptions (异常) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
第十章 函数式地思考来解决问题 227
§10.1 运算逆波兰表示法 (Reverse Polish notation form) . . . . . . 227
§10.2 路径规划 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
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第十一章 Functors, Applicative Functors 与 Monoids 243
§11.1 温习 Functors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
§11.2 Applicative functors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
§11.3 关键字 “newtype” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.3.1 Using newtype to make type class instances . . . . . . 280
11.3.2 On newtype laziness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
11.3.3 type vs newtype vs data . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
§11.4 Monoids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11.4.1 Lists are monoids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.4.2 Product and Sum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
11.4.3 Any and ALL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
11.4.4 The Ordering monoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
11.4.5 Maybe the monoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
11.4.6 Using monoids to fold data structures . . . . . . . . . 299
第十二章 来看看几种 Monad 304
§12.1 动手做做看: Maybe Monad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
§12.2 Monad type class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
§12.3 走钢索 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
§12.4 do 表示法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
§12.5 List Monad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
12.5.1 A knight’s quest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
§12.6 Monad laws (单子律) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
12.6.1 Left identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
12.6.2 Right identity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
12.6.3 Associativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
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第十三章 再来看看更多 Monad 341
§13.1 你所不知道的 Writer Monad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
13.1.1 Monoids 的好处 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
13.1.2 The Writer type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
13.1.3 Using do notation with Writer . . . . . . . . . . . . . 348
13.1.4 Adding logging to programs . . . . . . . . . . . . . . . 350
13.1.5 Inefficient list construction . . . . . . . . . . . . . . . 352
13.1.6 Difference lists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
13.1.7 Comparing Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
§13.2 Reader Monad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
§13.3 State Monad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
13.3.1 Stack and Stones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
13.3.2 The State Monad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
13.3.3 随机性与 state monad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
§13.4 Error Monad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
§13.5 一些实用的 Moandic functions . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
13.5.1 liftM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
13.5.2 The join function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
13.5.3 filterM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
13.5.4 foldM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
13.5.5 Making a safe RPN calculator. . . . . . . . . . . . . . 380
13.5.6 Composing monadic functions . . . . . . . . . . . . . . 384
§13.6 定义自己的 Monad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
第 vi 页 目录 Haskell 趣学指南
第十四章 Zippers 数据结构 393
§14.1 来走二元树吧! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
§14.2 凡走过必留下痕迹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
14.2.1 Going back up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
14.2.2 Manipulating trees under focus . . . . . . . . . . . . . 401
14.2.3 I’m going straight to top, oh yeah, up where the air is
fresh and clean! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
§14.3 来看串行 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
§14.4 阳春的文件系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
14.4.1 A zipper for our file system . . . . . . . . . . . . . . . 406
14.4.2 Manipulating our file system . . . . . . . . . . . . . . 409
§14.5 小心每一步 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
附录 A FAQ 414
§A.1 我能把这份教学放在我的网站吗？我可以更改里面的内容吗？ 414
§A.2 推荐其它几个 Haskell 读物？ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
§A.3 我怎么联络到你？ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
§A.4 我想要一些习题！ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
§A.5 关于作者 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
§A.6 关于简体译者 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
§A.7 关于繁体译者 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
附录 B Resource 416
§B.1 Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
§B.2 Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
§B.3 Lectures & Articles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
Haskell 趣学指南 目录 第 vii 页
§B.4 Forum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
§B.5 Online Judge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
§B.6 Books . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
§B.7 PL Researchers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
§B.8 Interesting Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
§B.9 Taiwan Functional Programming User Group . . . . . . . . . 418
第一章 简介
§1.1 关于这份教学
欢迎来到 Haskell 趣学指南！会想看这篇文章表示你对学习 Haskell 有
很大的兴趣。你来对地方了，来让我简单介绍一下这个教学。
撰写这份教学，一方面是让我自己对 Haskell 更熟练，另一方面是希
望能够分享我的学习经验，帮助初学者更快进入状况。网路上已经有无数
Haskell 的教学文件，在我学习的过程中，我并不限于只参考一份来源。我
常常阅读不同的教学文章，他们每个都从不同的角度出发。参考这些资源让
我能将知识化整为零。这份教学是希望提供更多的机会能让你找到你想要得
到的解答。
这份教学主要针对已经有使用命令式程序语言 (imperative program-
ming languages) 写程序经验 (C, C++, Java, Python …) 、却未曾接触过函
数式程序语言 (functional programming languages) (Haskell, ML, OCaml …)
的读者。就算没有写程序经验也没关系，会想学 Haskell 的人我相信都是很
聪明的。
若在学习中遇到什么地方不懂的，Freenode IRC 上的 #Haskell 频道
是提问的绝佳去处。那里的人都很友善，有耐心且能体谅初学者。(译注：
第 2 页 第一章 简介 Haskell 趣学指南
Stackoverflow 上的 #haskell tag 也有很多 Haskell 神人们耐心地回答问题，
提供给不习惯用 IRC 的人的另一个选择。)
我经历了不少挫折才学会 Haskell，在初学的时候它看起来是如此奇怪
的语言。但有一天我突然开窍了，之后的学习便如鱼得水。我想要表达的是：
尽管 Haskell 乍看下如此地诡异，但假如你对程序设计十分有兴趣，他非常
值得你学习。学习 Haskell 让你想起你第一次写程序的感觉。非常有趣，而
且强迫你 Think different。
§1.2 什么是 Haskell？
Haskell 是一门纯粹函数式程序语言 (purely functional programming
language)。在命令式语言中执行操作需要给电脑安排一组命令，随着命令的
执行，状态就会随之发生改变。例如你指派变量 a 的值为 5，而随后做了
其它一些事情之后 a 就可能变成的其它值。有控制流程 (control flow)，你
就可以重复执行操作。然而在纯粹函数式程序语言中，你不是像命令式语
言那样命令电脑 “要做什么”，而是通过用函数来描述出问题 “是什么”，如
“阶乘是指从 1 到某个数的乘积”，“一个串行中数字的和” 是指把第一个数
字跟剩余数字的和相加。你用声明函数是什么的形式来写程序。另外，变量
(variable) 一旦被指定，就不可以更改了，你已经说了 a 就是 5，就不能再另
说 a 是别的什么数。（译注：其实用 variable 来表达造成字义的 overloading，
会让人联想到imperativelanguages中variable是代表状态，但在functional
languages 中 variable 是相近于数学中使用的 variable。x=5 代表 x 就是 5，
不是说 x 在 5 这个状态。) 所以说，在纯粹函数式程序语言中的函数能做
的唯一事情就是利用引数计算结果，不会产生所谓的 “副作用 (side effect)”