Haskell 中的 IO 类型 | 小谷的随笔

最简单的 IO 程序

helloPerson :: String -> String
helloPerson name = "Hello" ++ " " ++ name ++ "!"

main :: IO ()
main = do
    putStrLn "Hello! What's your name?"
    name <- getLine
    let statement = helloPerson name
    putStrLn statement

main :: IO () 中的 () 就是一个空的元组。putStrLn 只是将消息输出，它没有什么有意义的返回值，所以这里用 ()。

main 并不是一个函数。它仅仅执行了一个动作 action，没有返回值也没有函数参数。

IO 类型

ghci> :kind Maybe
Maybe :: * -> *
ghci> :kind IO
IO :: * -> *

Maybe 和 IO 的一个共同点是它们描述的是参数的上下文。而不是容器。IO 的上下文是这个值来自输入/输出操作。

由于 IO 的不可预测性，只能在 IO 的 action 中使用这个值。换言之，Haskell 将 IO 的逻辑和其它的逻辑分开了。

do

为了更加便利地处理 IO，就有了 do，可以看到有的变量使用 let 进行赋值，而有的却使用 <-。使用 <- 的时候，会将 IO a 看作为 a。

所以通过 <- 的转换，name 才是 String，所以才可以使用 helloPerson。

Monad

IO 类型是 Monad 的类型。Maybe 也是。

Lazy IO

在其它语言中，通常会提到一个所谓的 stream 的概念。可以将 IO stream 理解成惰性计算的字符列表。STDIN（标准输入）时，用户输入流式传入到程序，但不一定知道哪里结束。这和 Haskell 惰性列表是一样的。

import System.Environment

main :: IO ()
main = do
    args <- getArgs
    mapM_ putStrLn args

.\sum 1 2 3 4 5  
1
2
3
4
5

这里使用 mapM_ 是因为需要忽略掉结果，mapM 操作后返回的是列表 [()]，但是我们需要的是 ()。

import System.Environment

main :: IO ()
main = do
    args <- getArgs
    let linesToRead = if length args > 0
                      then read (head args)
                      else 0 :: Int
    print linesToRead

我们将传入一个数字作为需要读取的数字的数量，然后根据这个数量进行读取值，最后将得到的数据进行处理。这里同样使用了 Monad。

import System.Environment
import Control.Monad

main :: IO ()
main = do
    args <- getArgs
    let linesToRead = if length args > 0
                      then read (head args)
                      else 0 :: Int
    numbers <- replicateM linesToRead getLine
    let ints = map read numbers :: [Int]
    print (sum ints)
.\sum 4    
1
2
3
4
10

replicateM 接受一个 Int n 和一个 IO action，重复执行 n 次 action。

这个程序有个问题，就是必须先输入需要的总数。但是很多时候我们并不能知道有多少个，比如统计有多少个访客的时候。

回想一下，IO 是一种特殊逻辑，但在这里我们所有的逻辑都放到了 IO，这证明没有很好地进行抽象。我们把程序的行为和 IO 的逻辑都混到了一起。

在这个例子中，根本问题在于我们把 IO 序列当作需要立刻处理的值，从而就没有 Lazy 的优势。如果把输入看成是字符串列表，那么就可以不考虑这些混乱了。只需要使用 getContents，它可以将 STDIN 的 IO 流视为字符列表。

main :: IO ()
main = do
    userInput <- getContents
    mapM_ print userInput

.\sum_lazy
hello
'h'
'e'
'l'
'l'
'o'
'\n'
hi
'h'
'i'
'\n'

由于我们现在拿到的是字符，所以我们需要将它转换成 Int。

toInts :: String -> [Int]
toInts = map read . lines

main :: IO ()
main = do
    userInput <- getContents
    let numbers = toInts userInput
    print (sum numbers)

这样就不用担心需要时输入多少个数字了。

Text 类型

String 基于 List，效率比较低下。这就是为什么需要有 Text 的原因。对于实际和商业程序编程中，处理文本数据首选的类型是 Text。

import qualified Data.Text as T

Text 的底层实现是数组，这样字符串的操作更快，内存效率也更高。和 String 的另外一个区别是它不使用惰性计算，因为这样效率会比较低。如果需要惰性计算，可以使用 Data.Text.Lazy。

从此之后，应该使用 Text 去替代 String。

首先需要学习的两个方法是 pack 和 unpack，可以在 String 和 Text 之间进行转换。为了将字面量的类型换成 Text，可以在使用 ghc 的时候写上 -XOverloadedStrings：

import qualified Data.Text as T

aWord :: T.Text
aWord = "Cheese"

main :: IO ()
main = do
    print aWord

-- ghc .\text.hs -XOverloadedStrings

作为用户角度，可能容易忘记加上这个参数，所以更加推荐在代码里指定，Haskell 提供了一个 LANGUAGE 的编译注解。

{-# LANGUAGE OverloadedStrings #-}
import qualified Data.Text as T

文件操作

import System.IO

-- 定义
openFile :: FilePath -> IOMode -> IO Handle
type FilePath = String
data IOMode = ReadMode | WriteMode | AppendMode | ReadWriteMode

基于这个定义，openFile 会返回一个句柄 Handle，最后需要关闭文件，也是使用 hClose 处理这个句柄。

import System.IO

main :: IO ()
main = do
    myFile <- openFile "hello.txt" ReadMode
    hClose myFile
    putStrLn "done!"

如果只是打开和关闭文件毫无意义，读取和写入文件和常规的输入和输出很类似，使用 hPutStrLn 和 hGetLine。和普通的标准输入输出 putStrLn 和 getLine 的区别仅仅在于文件的操作需要传入文件句柄。

其实，putStrLn 是 hPutStrLn 的实例，而 getLine 是 hGetLine 的实例，句柄就是 stdout 和 stdin。

import System.IO

main :: IO ()
main = do
  helloFile <- openFile "hello.txt" ReadMode
  firstLine <- hGetLine helloFile
  putStrLn firstLine
  secondLine <- hGetLine helloFile
  goodbyeFile <- openFile "goodbye.txt" WriteMode
  hPutStrLn goodbyeFile secondLine
  hClose helloFile
  hClose goodbyeFile
  putStrLn "done!"

如果需要读取文件的每一行并进行打印，那么就需要知道文件是否结束。Haskell 提供了 hIsEOF 来进行判断。

import System.IO

main :: IO ()
main = do
    helloFile <- openFile "hello.txt" ReadMode
    hasLine <- hIsEOF helloFile
    firstLine <- if not hasLine
            then hGetLine helloFile
            else return "empty"
    putStrLn firstLine
    putStrLn "done!"

简单的 I/O 工具

很多时候其实也可以直接使用 Haskell 提供的工具，而不直接处理句柄（handle）：

readFile :: FilePath -> IO String
writeFile :: FilePath -> String -> IO ()
appendFile :: FilePath -> String -> IO ()

创建一个程序，用来对文件内容进行计数。

import System.Environment
import System.IO

getCounts :: String -> (Int, Int, Int)
getCounts input = (charCount, wordCount, lineCount)
  where
    charCount = length input
    wordCount = (length . words) input
    lineCount = (length . lines) input

countsText :: (Int, Int, Int) -> String
countsText (cc, wc, lc) = unwords ["chars: ", show cc, " words: ", show wc, " lines: ", show lc]

main :: IO ()
main = do
  args <- getArgs
  let fileName = head args
  input <- readFile fileName
  let summary = (countsText . getCounts) input
  appendFile "stats.dat" (mconcat [fileName, " ", summary, "\n"])
  putStrLn summary