[TOC] ## 模式匹配  本章讲的就是haskell那套酷酷的语法结构，先从模式匹配开始。模式匹配通过检查数据的特定结构来检查其是否匹配，并按模式从中取得数据。 在定义函数时，你可以为不同的模式分别定义函数体，这就让代码更加简洁易读。你可以匹配一切数据类型---数字，字符，List，元组，等等。我们弄个简单函数，让它检查我们传给它的数字是不是7。 ~~~ lucky :: (Integral a) => a -> String    lucky 7 = "LUCKY NUMBER SEVEN!"    lucky x = "Sorry, you're out of luck, pal!"    ~~~ 在调用`lucky`时，模式会从上至下进行检查，一旦有匹配，那对应的函数体就被应用了。这个模式中的唯一匹配是参数为7，如果不是7，就转到下一个模式，它匹配一切数值并将其绑定为x。这个函数完全可以使用if实现，不过我们若要个分辨1到5中的数字，而无视其它数的函数该怎么办？要是没有模式匹配的话，那可得好大一棵if-else树了！ ~~~ sayMe :: (Integral a) => a -> String    sayMe 1 = "One!"    sayMe 2 = "Two!"    sayMe 3 = "Three!"    sayMe 4 = "Four!"    sayMe 5 = "Five!"    sayMe x = "Not between 1 and 5"   ~~~ 注意下，如果我们把最后匹配一切的那个模式挪到最前，它的结果就全都是`"Not between 1 and 5"  `了。因为它自己匹配了一切数字，不给后面的模式留机会。 记得前面实现的那个阶乘函数么？当时是把`n`的阶乘定义成了`product [1..n]`。也可以写出像数学那样的递归实现，先说明0的阶乘是1，再说明每个正整数的阶乘都是这个数与它前驱(predecessor)对应的阶乘的积。如下便是翻译到haskell的样子： ~~~ factorial :: (Integral a) => a -> a    factorial 0 = 1    factorial n = n * factorial (n - 1)   ~~~ 这就是我们定义的第一个递归函数。递归在haskell中十分重要，我们会在后面深入理解。如果拿一个数（如3）调用factorial函数，这就是接下来的计算步骤：先计算`3*factorial 2`，`factorial 2`等于`2*factorial 1`，也就是`3*(2*(factorial 1))`。`factorial 1`等于`1*factorial 0`，好，得`3*(2*(1*factorial 0))`，递归在这里到头了，嗯---我们在万能匹配前面有定义，0的阶乘是1.于是最终的结果等于`3*(2*(1*1))`。若是把第二个模式放在前面，它就会捕获包括0在内的一切数字，这一来我们的计算就永远都不会停止了。这便是为什么说模式的顺序是如此重要：它总是优先匹配最符合的那个，最后才是那个万能的。 模式匹配也会失败。假如这个函数： ~~~ charName :: Char -> String    charName 'a' = "Albert"    charName 'b' = "Broseph"    charName 'c' = "Cecil"   ~~~ 拿个它没有考虑到的字符去调用它，你就会看到这个： ~~~ ghci> charName 'a'    "Albert"    ghci> charName 'b'    "Broseph"    ghci> charName 'h'    "*** Exception: tut.hs:(53,0)-(55,21): Non-exhaustive patterns in function charName   ~~~ 它告诉我们说，这个模式不够全面。因此，在定义模式时，一定要留一个万能匹配的模式，这样我们的程序就不会为了不可预料的输入而崩溃了。 对Tuple同样可以使用模式匹配。写个函数，将二维空间中的向量相加该如何？将它们的x项和y项分别相加就是了。如果不了解模式匹配，我们很可能会写出这样的代码： ~~~ addVectors :: (Num a) => (a, a) -> (a, a) -> (a, a)    addVectors a b = (fst a + fst b, snd a + snd b)   ~~~ 嗯，可以运行。但有更好的方法，上模式匹配： ~~~ addVectors :: (Num a) => (a, a) -> (a, a) -> (a, a)    addVectors (x1, y1) (x2, y2) = (x1 + x2, y1 + y2)   ~~~ there we go！好多了！注意，它已经是个万能的匹配了。两个addVector的类型都是`addVectors:: (Num a) => (a,a) -> (a,a) -> (a,a)`，我们就能够保证，两个参数都是序对(Pair)了。 fst和snd可以从序对中取出元素。三元组(Tripple)呢？嗯，没现成的函数，得自己动手： ~~~ first :: (a, b, c) -> a    first (x, _, _) = x    second :: (a, b, c) -> b    second (_, y, _) = y    third :: (a, b, c) -> c    third (_, _, z) = z   ~~~ 这里的_就和List Comprehension中一样。表示我们不关心这部分的具体内容。 说到List Comprehension，我想起来在List Comprehension中也能用模式匹配： ~~~ ghci> let xs = [(1,3), (4,3), (2,4), (5,3), (5,6), (3,1)]    ghci> [a+b | (a,b)  xs]    [4,7,6,8,11,4] ~~~ 一旦模式匹配失败，它就简单挪到下个元素。 对list本身也可以使用模式匹配。你可以用`[]`或`:`来匹配它。因为`[1,2,3]`本质就是`1:2:3:[]`的语法糖。你也可以使用前一种形式，像`x:xs`这样的模式可以将list的头部绑定为x，尾部绑定为xs。如果这list只有一个元素，那么xs就是一个空list。 > **Note**：x:xs这模式的应用非常广泛，尤其是递归函数。不过它只能匹配长度大于等于1的list。 如果你要把list的前三个元素都绑定到变量中，可以使用类似`x:y:z:xs`这样的形式。它只能匹配长度大于等于3的list。 我们已经知道了对list做模式匹配的方法，就实现个我们自己的head函数。 ~~~ head' :: [a] -> a    head' [] = error "Can't call head on an empty list, dummy!"    head' (x:_) = x   ~~~ 看看管不管用： ~~~ ghci> head' [4,5,6]    4    ghci> head' "Hello"    'H'   ~~~ 漂亮！注意下，你若要绑定多个变量（用_也是如此），我们必须用括号将其括起。同时注意下我们用的这个error函数，它可以生成一个运行时错误，用参数中的字符串表示对错误的描述。它会直接导致程序崩溃，因此应谨慎使用。可是对一个空list取head真的不靠谱哇。 弄个简单函数，让它用非标准的英语给我们展示list的前几项。 ~~~ tell :: (Show a) => [a] -> String    tell [] = "The list is empty"    tell (x:[]) = "The list has one element: " ++ show x    tell (x:y:[]) = "The list has two elements: " ++ show x ++ " and " ++ show y    tell (x:y:_) = "This list is long. The first two elements are: " ++ show x ++ " and " ++ show y   ~~~ 这个函数顾及了空list，单元素list，双元素list以及较长的list，所以这个函数很安全。`(x:[])`与`(x:y:[])`也可以写作`[x]`和`[x,y]`（有了语法糖，我们不必多加括号）。不过`(x:y:_)`这样的模式就不行了，因为它匹配的list长度不固定。 我们曾用List Comprehension实现过自己的length函数，现在用模式匹配和递归重新实现它： ~~~ length' :: (Num b) => [a] -> b    length' [] = 0    length' (_:xs) = 1 + length' xs   ~~~ 这与先前写的那个factorial函数很相似。先定义好未知输入的结果---空list，这也叫作边界条件。再在第二个模式中将这List分割为头部和尾部。说，List的长度就是其尾部的长度加1。匹配头部用的_，因为我们并不关心它的值。同时也应明确，我们顾及了List所有可能的模式：第一个模式匹配空list，第二个匹配任意的非空list。 看下拿`"ham"`调用`length'`会怎样。首先它会检查它是否为空List。显然不是，于是进入下一模式。它匹配了第二个模式，把它分割为头部和尾部并无视掉头部的值，得长度就是`1+length' "am"`。ok。以此类推，`"am"`的`length`就是`1+length' "m"`。好，现在我们有了`1+(1+length' "m")`。`length' "m"`即`1+length ""`（也就是`1+length' []`）。根据定义，`length' []`等于`0`。最后得`1+(1+(1+0))`。 再实现`sum`。我们知道空list的和是0，就把它定义为一个模式。我们也知道一个list的和就是头部加上尾部的和的和。写下来就成了： ~~~ sum' :: (Num a) => [a] -> a    sum' [] = 0    sum' (x:xs) = x + sum' xs   ~~~ 还有个东西叫做as模式，就是将一个名字和@置于模式前，可以在按模式分割什么东西时仍保留对其整体的引用。如这个模式`xs@(x:y:ys)`，它会匹配出与`x:y:ys`对应的东西，同时你也可以方便地通过xs得到整个list，而不必在函数体中重复`x:y:ys`。看下这个quick and dirty的例子： ~~~ capital :: String -> String    capital "" = "Empty string, whoops!"    capital all@(x:xs) = "The first letter of " ++ all ++ " is " ++ [x]   ~~~ ~~~ ghci> capital "Dracula"    "The first letter of Dracula is D"   ~~~ 我们使用as模式通常就是为了在较大的模式中保留对整体的引用，从而减少重复性的工作。 还有——你不可以在模式匹配中使用`++`。若有个模式是`(xs++ys)`，那么这个List该从什么地方分开呢？不靠谱吧。而`(xs++[x,y,z])`或只一个`(xs++[x])`或许还能说的过去，不过出于list的本质，这样写也是不可以的。 ## 注意，门卫! 模式用来检查一个值是否合适并从中取值，而门卫（guard）则用来检查一个值的某项属性是否为真。咋一听有点像是if语句，实际上也正是如此。不过处理多个条件分支时门卫的可读性要高些，并且与模式匹配契合的很好。  在讲解它的语法前，我们先看一个用到门卫的函数。它会依据你的BMI值（body mass index，身体质量指数）来不同程度地侮辱你。BMI值即为体重除以身高的平方。如果小于18.5，就是太瘦；如果在18.5到25之间，就是正常；25到30之间，超重；如果超过30，肥胖。这就是那个函数（我们目前暂不为您计算bmi，它只是直接取一个emi值）。 ~~~ bmiTell :: (RealFloat a) => a -> String    bmiTell bmi        | bmi  18.5 = "You're underweight, you emo, you!"        | bmi  25.0 = "You're supposedly normal. Pffft, I bet you're ugly!"        | bmi  30.0 = "You're fat! Lose some weight, fatty!"        | otherwise   = "You're a whale, congratulations!"   ~~~ 门卫由跟在函数名及参数后面的竖线标志，通常他们都是靠右一个缩进排成一列。一个门卫就是一个布尔表达式，如果为真，就使用其对应的函数体。如果为假，就送去见下一个门卫，如之继续。如果我们用24.3调用这个函数，它就会先检查它是否小于等于18.5，显然不是，于是见下一个门卫。24.3小于25.0，因此通过了第二个门卫的检查，就返回第二个字符串。 在这里则是相当的简洁，不过不难想象这在命令式语言中又会是怎样的一棵if-else树。由于if-else的大树比较杂乱，若是出现问题会很难发现，门卫对此则十分清楚。 最后的那个门卫往往都是`otherwise`，它的定义就是简单一个`otherwise = True`，捕获一切。这与模式很相像，只是模式检查的是匹配，而它们检查的是布尔表达式 。如果一个函数的所有门卫都没有通过（而且没有提供otherwise作万能匹配），就转入下一模式。这便是门卫与模式契合的地方。如果始终没有找到合适的门卫或模式，就会发生一个错误。 当然，门卫可以在含有任意数量参数的函数中使用。省得用户在使用这函数之前每次都自己计算bmi。我们修改下这个函数，让它取身高体重为我们计算。 ~~~ bmiTell :: (RealFloat a) => a -> a -> String    bmiTell weight height        | weight / height ^ 2  18.5 = "You're underweight, you emo, you!"        | weight / height ^ 2  25.0 = "You're supposedly normal. Pffft, I bet you're ugly!"        | weight / height ^ 2  30.0 = "You're fat! Lose some weight, fatty!"        | otherwise                 = "You're a whale, congratulations!"     ~~~ 看看我胖不胖...... ~~~ ghci> bmiTell 85 1.90    "You're supposedly normal. Pffft, I bet you're ugly!"   ~~~ Yay!我不胖！不过haskell依然说我很猥琐...什么道理... 注意下，函数名和参数的后面并没有=。许多新人容易搞出语法错误，就是因为在后面加上了=。 另一个简单的例子：实现个自己的`max`函数。应该还记得，它是取两个可比较的值，返回较大的那个。 ~~~ max' :: (Ord a) => a -> a -> a    max' a b         | a > b     = a        | otherwise = b   ~~~ 门卫也可以堆一行里面。这样的可读性会差些，因而是不被鼓励的。即使是较短的函数也是如此，仅仅出于演示，我们可以这样重写max'： ~~~ max' :: (Ord a) => a -> a -> a    max' a b | a > b = a | otherwise = b   ~~~ Ugh！一点都不好读！继续进发，用门卫实现我们自己的compare函数： ~~~ myCompare :: (Ord a) => a -> a -> Ordering    a `myCompare` b        | a > b     = GT        | a == b    = EQ        | otherwise = LT   ~~~ ~~~ ghci> 3 `myCompare` 2    GT   ~~~ > **Note**：通过反单引号，我们不仅可以以中缀形式调用函数，也可以在定义函数的时候使用它。有时这样会更易读。 ## Where? 前一节中我们写了这个bmi计算函数： ~~~ bmiTell :: (RealFloat a) => a -> a -> String    bmiTell weight height        | weight / height ^ 2  18.5 = "You're underweight, you emo, you!"        | weight / height ^ 2  25.0 = "You're supposedly normal. Pffft, I bet you're ugly!"        | weight / height ^ 2  30.0 = "You're fat! Lose some weight, fatty!"        | otherwise                   = "You're a whale, congratulations!" ~~~ 注意，我们重复了3次。我们重复了3次。程序员的字典里不应该有“重复”这个词。既然发现有重复，那么给它一个名字来代替这三个表达式会更好些。嗯，我们可以这样修改： ~~~ bmiTell :: (RealFloat a) => a -> a -> String    bmiTell weight height        | bmi  18.5 = "You're underweight, you emo, you!"        | bmi  25.0 = "You're supposedly normal. Pffft, I bet you're ugly!"        | bmi  30.0 = "You're fat! Lose some weight, fatty!"        | otherwise   = "You're a whale, congratulations!"        where bmi = weight / height ^ 2 ~~~ 我们的where关键字跟在门卫后面（最好是与竖线缩进一致），可以定义多个名字和函数。这些名字对每个门卫都是可见的，这一来就避免了重复。如果我们打算换种方式计算bmi，只需进行一次修改就行了。通过命名，我们提升了代码的可读性，并且由于bmi只计算了一次，函数的执行效率也有所提升。我们可以再做下修改： ~~~ bmiTell :: (RealFloat a) => a -> a -> String    bmiTell weight height        | bmi  skinny = "You're underweight, you emo, you!"        | bmi  normal = "You're supposedly normal. Pffft, I bet you're ugly!"        | bmi  fat    = "You're fat! Lose some weight, fatty!"        | otherwise     = "You're a whale, congratulations!"        where bmi = weight / height ^ 2              skinny = 18.5              normal = 25.0              fat = 30.0 ~~~ 函数在_where_绑定中定义的名字只对本函数可见，因此我们不必担心它会污染其他函数的命名空间。注意，其中的名字都是一列垂直排开，如果不这样规范，haskell就搞不清楚它们在哪个地方了。 _where_绑定不会在多个模式中共享。如果你在一个函数的多个模式中重复用到同一名字，就应该把它置于全局定义之中。 _where_绑定也可以使用**模式匹配**！前面那段代码可以改成： ~~~ ...    where bmi = weight / height ^ 2          (skinny, normal, fat) = (18.5, 25.0, 30.0)   ~~~ 我们再搞个简单函数，让它告诉我们姓名的首字母： ~~~ initials :: String -> String -> String    initials firstname lastname = [f] ++ ". " ++ [l] ++ "."        where (f:_) = firstname              (l:_) = lastname   ~~~ 我们完全按可以在函数的参数上直接使用模式匹配（这样更短更简洁），在这里只是为了演示在where语句中同样可以使用模式匹配： _where_绑定可以定义名字，也可以定义函数。保持健康的编程风格，我们搞个计算一组bmi的函数： ~~~ calcBmis :: (RealFloat a) => [(a, a)] -> [a]    calcBmis xs = [bmi w h | (w, h)       where bmi weight height = weight / height ^ 2   ~~~ 这就全了！在这里将`bmi`搞成一个函数，是因为我们不能依据参数直接进行计算，而必须先从传入函数的list中取出每个序对并计算对应的值。 _where_绑定还可以嵌套。有个已被广泛接受的理念，就是一个函数应该有几个辅助函数。而每个辅助函数也可以通过where拥有各自的辅助函数。 ## Let it be let绑定与where绑定很相似。where绑定是在函数底部定义名字，对包括所有门卫在内的整个函数可见。let绑定则是个表达式，允许你在任何位置定义局部变量，而对不同的门卫不可见。正如haskell中所有赋值结构一样，let绑定也可以使用模式匹配。看下它的实际应用！这是个依据半径和高度求圆柱体表面积的函数： ~~~ cylinder :: (RealFloat a) => a -> a -> a    cylinder r h =       let sideArea = 2 * pi * r * h            topArea = pi * r ^2        in  sideArea + 2 * topArea   ~~~  let的格式为`let [bindings] in [expressions]`。在_let_中绑定的名字仅对in部分可见。_let_里面定义的名字也得对齐到一列。不难看出，这用_where_绑定也可以做到。那么它俩有什么区别呢？看起来无非就是，_let_把绑定放在语句前面而_where_放在后面嘛。 不同之处在于，_let_绑定本身是个表达式，而_where_绑定则是个语法结构。还记得前面我们讲if语句时提到它是个表达式，因而可以随处安放？ ~~~ ghci> [if 5 > 3 then "Woo" else "Boo", if 'a' > 'b' then "Foo" else "Bar"]    ["Woo", "Bar"]    ghci> 4 * (if 10 > 5 then 10 else 0) + 2    42 ~~~ 用_let_绑定也可以实现： ~~~ ghci> 4 * (let a = 9 in a + 1) + 2    42   ~~~ _let_也可以定义局部函数： ~~~ ghci> [let square x = x * x in (square 5, square 3, square 2)]    [(25,9,4)]   ~~~ 若要在一行中绑定多个名字，再将它们排成一列显然是不可以的。不过可以用分号将其分开。 ~~~ ghci> (let a = 100; b = 200; c = 300 in a*b*c, let foo="Hey "; bar = "there!" in foo ++ bar)    (6000000,"Hey there!")   ~~~ 最后那个绑定后面的分号不是必须的，不过加上也没关系。如我们前面所说，你可以在let绑定中使用模式匹配。这在从Tuple取值之类的操作中很方便。 ~~~ ghci> (let (a,b,c) = (1,2,3) in a+b+c) * 100    600   ~~~ 你也可以把let绑定放到List Comprehension中。我们重写下那个计算bmi值的函数，用个let替换掉原先的where。 ~~~ calcBmis :: (RealFloat a) => [(a, a)] -> [a]    calcBmis xs = [bmi | (w, h)  xs, let bmi = w / h ^ 2] ~~~ List Comprehension中let绑定的样子和限制条件差不多，只不过它做的不是过滤，而是绑定名字。let中绑定的名字在输出函数及限制条件中都可见。这一来我们就可以让我们的函数只返回胖子的bmi值： ~~~ calcBmis :: (RealFloat a) => [(a, a)] -> [a]    calcBmis xs = [bmi | (w, h)  xs, let bmi = w / h ^ 2, bmi >= 25.0] ~~~ 在`(w, h) <- xs`这里无法使用`bmi`这名字，因为它在let绑定的前面。 在List Comprehension中我们忽略了let绑定的in部分，因为名字的可见性已经预先定义好了。不过，把一个_let...in_放到限制条件中也是可以的，这样名字只对这个限制条件可见。在GHCi中in部分也可以省略，名字的定义就在整个交互中可见。 ~~~ ghci> let zoot x y z = x * y + z    ghci> zoot 3 9 2    29    ghci> let boot x y z = x * y + z in boot 3 4 2    14    ghci> boot    >:1:0: Not in scope: `boot' ~~~ 你说既然_let_已经这么好了，还要where干嘛呢？嗯，let是个表达式，定义域限制的相当小，因此不能在多个门卫中使用。一些朋友更喜欢_where_，因为它是跟在函数体后面，把主函数体距离类型声明近一些会更易读。 ## case表达式  有命令式编程(_C, C++, Java, etc_)的经验的同学一定会有所了解，很多命令式语言都提供了_case_语句。就是取一个变量，按照对变量的判断选择对应的代码块。其中可能会存在一个万能匹配以处理未预料的情况。 haskell取了这一概念融合其中。如其名，case表达式就是，嗯，一种表达式。跟_if..else_和_let_一样的表达式。用它可以对变量的不同情况分别求值，还可以使用模式匹配。Hmm，取一个变量，对它模式匹配，执行对应的代码块。好像在哪儿听过？啊，就是函数定义时参数的模式匹配！好吧，模式匹配本质上不过就是case语句的语法糖而已。这两段代码就是完全等价的： ~~~ head' :: [a] -> a    head' [] = error "No head for empty lists!"    head' (x:_) = x   ~~~ ~~~ head' :: [a] -> a    head' xs = case xs of [] -> error "No head for empty lists!"                          (x:_) -> x   ~~~ 看得出，_case_表达式的语法十分简单： ~~~ case expression of pattern -> result                       pattern -> result                       pattern -> result                       ...   ~~~ _expression_匹配合适的模式。如料，第一个模式若匹配，就执行第一个代码块；否则就交给下一个模式。如果到最后依然没有匹配的模式，就会产生一个运行时错误。 函数参数的模式匹配只能在定义函数时使用，而case表达式可以用在任何地方。例如： ~~~ describeList :: [a] -> String    describeList xs = "The list is " ++ case xs of [] -> "empty."                                                   [x] -> "a singleton list."                                                    xs -> "a longer list."   ~~~ 这在表达式中作模式匹配很方便，由于模式匹配本质上就是case表达式的语法糖，那么写成这样也是等价的： ~~~ describeList :: [a] -> String    describeList xs = "The list is " ++ what xs        where what [] = "empty."              what [x] = "a singleton list."              what xs = "a longer list."   ~~~