F#探险之旅（三）：命令式编程（下）

控制流程（Control Flow）

在函数式编程（中）一文中，我们初步了解了F#在函数式编程范式下的控制流程，即if, elif, then, else等组成的结构。在命令式编程范式下，F#提供了更多的控制流程支持，包括if，while和for。

在命令式编程范式下的if结构与函数式编程下对应结构的主要差别在于，对于if分支，调用的函数为unit类型（即无返回值），而且并不要求必须使用else分支：

if System.DateTime.Now.DayOfWeek = System.DayOfWeek.Thursday then
    print_endline "Thursday play list: lazy afternoon"

这里print_endline函数的类型为string -> int。尽管else分支不是必须的，但如果需要，你也可以加上，不过else分支也必须为unit类型。

if System.DateTime.Now.DayOfWeek = System.DayOfWeek.Thursday then
    print_endline "Thursday play list: lazy afternoon"
 else
    print_endline "Alt play list: pop music"

至此，不管if结构的分支是否返回值，我们都有办法表示，这样就跟C#的if结构一致了。

在C#中，如果一个分支的语句多于一条，需要使用花括号，而在F#中，分支所包含的语句要通过缩进来表示。

for循环是命令式编程中一种常见的结构。如果你有过C#或VB.NET的经验，那么很容易理解：

let sentence = [| "To "; "live "; "is "; "to "; "function." |]

for index = 0 to Array.length sentence - 1 do
    System.Console.Write sentence.[index]

在C#中，for循环是否执行需要看中间的bool表达式的结果，而这里则是看局部值index是否在指定的范围内，而且初始值要小于终止值。F#还提供了另一种for循环结构：

let whitePollution = [| "This term refers to "; "pollution caused by "; 
    "litter of used plastic bags, "; "polystyrene cups, ";
    "food containers and paper." |]
    
for index = Array.length whitePollution - 1 downto 0 do
    System.Console.Write whitePollution.[index]

此时index的值将以递减顺序变化。

while循环也较为简单，与C#很相似，直接看个例子吧：

// 压洲
let pressureContinent = ref [ "This phrase's pronunciation is ";
    "similar to \"Asia\" in Chinese, "; "but it means ";
    "a continent of pressure." ]
    
while (List.nonempty !pressureContinent) do
    System.Console.Write(List.hd !pressureContinent);
    pressureContinent := List.tl !pressureContinent

循环推导（Loops over Comprehensions）

可以使用for循环来枚举一个集合，这种方式与C#中的foreach结构类似。下面的例子对一个字符串数组进行枚举。

let words = [| "Red"; "Lorry"; "Yellow"; "Lorry" |]

for word in words do
    print_endline word

调用.NET类库中的静态方法和属性

F#中的命令式编程有一个极为有用的特性，它能够调用由任意.NET语言编写的类库，这包括BCL本身。不过在调用由F#编写的类库和由其它语言编写的类库时有所不同，因为F#类库拥有额外的元数据，比如一个方法是否接受一个元组或者其参数是否可被柯里化，这些元数据专用于F#。Microsoft.FSharp.Reflection API的产生很大程度上是由于这些元数据，这些API用于在F#和.NET的元数据间进行交互。

调用类的静态或实例方法和属性的基本语法是相同的，而在调用由非F#类库中的方法时必须使用括号（在F#中通常可用空格）。非F#类库中的方法不能被柯里化，方法本身也不是值，因此不能作为参数传递。遵循了这些规则，调用非F#类库的方法就变得直白、简单了。先来看看如何使用静态属性和方法：

#light
open System.IO

if File.Exists("test.txt") then
    print_endline "test.txt is present"
else
    print_endline "test.txt does not exist"

Exists方法是File类的静态方法，这里的用法跟C#或VB.NET中很像。但这里的代码风格不太像函数式编程的风格，我们可以将.NET类库的方法做个简单的包装：

let exists filePath = File.Exists(filePath)
let files = ["test1.txt"; "test2.txt"; "test3.txt"]

let results = List.map exists files
print_any results

上面的代码功能是对列表中的文件逐一进行检测，看它是否存在。exists函数对Exist方法做了包装，这样就可以以函数式编程的风格调用它了。

如果调用的.NET方法有很多参数，可能会忘掉某个参数的用途，在VS中可以查看参数信息（快捷键Ctrl+K, P）。而在F#中我们还可以使用具名参数（named argumengs）：

open System.IO

let file = File.Open(path = "test.txt",
                    mode = FileMode.Append,
                    access = FileAccess.Write,
                    share = FileShare.None)
                    
print_any file.Length
file.Close()

使用.NET类库中的对象和实例成员

除了类的静态成员，我们也可以创建类的实例并使用它的成员（字段、属性、事件、方法）：

#light
open System.IO

let file = new FileInfo("notExisting.txt")
if not file.Exists then
    using(file.CreateText()) (fun stream ->
        stream.WriteLine("hello, f#"))
    file.Attributes <- FileAttributes.ReadOnly
    
print_endline file.FullName

这段代码引用命名空间，创建FileInfo类的实例，检查文件是否存在，（如果不存在的话）创建文件，写入文本，设置属性值，熟悉C#或VB.NET的你是否感觉很眼熟？这里创建的实例很像记录类型，它引用的对象本身（file）是不能修改的，但它包含的内容则是可以修改的（Attributes属性）。设置属性值时要用“<-”操作符。using其实是一个操作符，用于清理资源（对比下C#中的using语句）。

再考虑一下上面的例子，中间的两步是创建实例，设置属性，这是我们经常做的事情：

Person person = new Person(1);
person.Name = "Steve";
person.BirthOn = DateTime.Now;

F#中还可以把上述过程简化：

open System.IO
let fileName = "test.txt"
let file =
    if File.Exists(fileName) then
        Some(new FileInfo(fileName, Attributes = FileAttributes.ReadOnly))
    else
        None

使用.NET类库中的索引器（Indexer）

索引器是.NET中的一个重要的概念，它使得一个集合类看起来像是一个数组。它本质上是名为Item的特殊属性。基于上述两点，F#提供了两种方式来访问索引器。

#light
open System.Collections.Generic

let stringList =
    let temp = new ResizeArray<string>() in
    temp.AddRange([|"one"; "two"; "three"|]);
    temp
    
let itemOne = stringList.Item(0)
let itemTwo = stringList.[1]

printfn "%s %s" itemOne itemTwo

第一种以属性的方式访问，第二种以数组的方式访问。

注意：上面例子中的代码很简单，却展示了F#中的一种常用模式。在创建标识符stringList时，首先将其实例化，然后调用它的实例成员（AddRange）设置状态，最后返回。

使用.NET类库中的事件（Event）

对于Windows Forms和Web Forms的开发人员，恐怕没有不知道事件的含义吧？我们可以将函数附加到事件上，比如Button的Click事件，这些附加的函数有时称为事件处理器（Event Handler）。

向事件添加一个处理器函数也很简单。每个事件都暴露了Add方法，由于事件在非F#类库中定义，因此Add方法需要带有括号。在F#中，通常可使用匿名函数作为处理器函数。

下面的例子使用了Timer类及其Elapsed事件：

#light
open System.Timers
module WF = System.Windows.Forms

let timer =
    let temp = new Timer()
    temp.Interval <- 1000.0
    temp.Enabled <- true
    let messageNo = ref 0
    temp.Elapsed.Add(fun _ ->
        let messages = ["bet"; "this"; "gets";
        "really"; "annoying"; "very"; "quickly";]
        WF.MessageBox.Show(List.nth messages !messageNo) |> ignore
        messageNo := (!messageNo + 1) % (List.length messages))
    temp
    
print_endline "Whack the return to finish!"
read_line() |> ignore
timer.Enabled <- false

能附加事件处理器，当然也能移除事件处理器，这需要使用RemoveHandler方法。RemoveHandler方法接受一个委托值，这个委托值封装了.NET中的方法，使得它可在方法间像值一样传递，不过在用RemoveHandler前要用AddHandler添加事件处理器，而不是Add方法。

对.NET类型应用模式匹配

模式匹配使得我们可以针对不同的值进行不同的运算。此外，F#还允许对.NET类型进行匹配，这要用到:?操作符。

#light
let simpleList = [box 1; box 2.0; box "three"]
    
let recognizeType (item : obj) =
    match item with
    | :? System.Int32 -> print_endline "An integer"
    | :? System.Double -> print_endline "A double"
    | :? System.String -> print_endline "A string"
    | _ -> print_endline "Unkown type"

我们不可能罗列所有的.NET类型，最后一行的作用在于匹配所有的其它类型。很自然的，在对类型进行匹配时，我们不仅想知道类型，还想了解当前的值，可以这么做：

#light
let simpleList = [box 1; box 2.0; box "three"]

let recognizeType (item : obj) =
    match item with
    | :? System.Int32 as x -> printfn "An integer: %i" x
    | :? System.Double as x -> printfn "A double: %f" x
    | :? System.String as x -> printfn "A string: %s" x
    | x -> printfn "An object: %A" x

在前面的文章中我们了解了异常处理的基本用法，这里的技术也可用在异常处理中，因为我们往往会根据类型捕获异常。

let now = System.DateTime.Now
System.Console.WriteLine(now)

try
    if now.Second % 3 = 0 then
        raise (new System.Exception())
    else
        raise (new System.ApplicationException())
with
| :? System.ApplicationException ->
    print_endline "A second that was not a multiple of 3"
| _ ->
    print_endline "A second that was a multiple 3"

|> 操作符（Pipe-Forward Operator）

在应用.NET类库时，“|>”操作符很有用，因为它可以帮助编译器正确地推导出函数参数的类型。它的定义很简单：

let (|>) x f = f x

类型信息为：

'a -> ('a -> 'b) -> 'b

可以这么来理解：x的类型为'a，函数f接受'a类型的参数，返回类型为'b，操作符的结果就是将x传递给f后所求得的值。除了这样将参数“转交”外，“|>”更重要的作用在于帮助编译器进行类型推导：

open System
let dateList = [ new DateTime(1999, 9, 18);
    new DateTime(2000, 9, 19);
    new DateTime(2001, 9, 20) ]
    
List.iter (fun d -> print_int d.Year) dateList

此时编译器会报告错误，因为它不能推导出d的类型（这个让我感到有点奇怪，iter函数的类型为(a’ -> unit) -> a’ list -> unit，它能推导出dateList的类型，却不能得出d的类型）。此时使用“|>”就没问题了，因为我们显式地告诉编译器d的类型：

dateList |> List.iter (fun d -> print_int d.Year)

要了解事情的端倪，我们最好再来看第二个例子：

type fsDate = { year : int; month : int; day : int }
let fsDateList = 
    [ { year = 1999; month = 12; day = 31 }
      { year = 2000; month = 12; day = 31 }
      { year = 2001; month = 12; day = 31 } ]
      
List.iter (fun d -> print_int d.year) fsDateList
fsDateList |> List.iter (fun d -> print_int d.year)

这段代码不会有编译错误，虽然看起来跟前一个例子很像，其主要区别在于fsDate是F#中的自定义类型，DateTime则是非F#类库中的类型。我们可以得出结论，不管是外部的.NET类型还是F#类型，“|>”都可使用，而F#的自动类型推导最好用在F#类型上。

let methods = System.AppDomain.CurrentDomain.GetAssemblies()
            |> List.of_array
            |> List.map (fun assm -> assm.GetTypes())
            |> Array.concat
            |> List.of_array
            |> List.map (fun t -> t.GetMethods())
            |> Array.concat
            
print_any methods

“|>”操作符还可用于串联多个函数调用，每次函数调用都将返回值传给下一个函数。

小结

走马观花，这一站的风景看得差不多了，命令式编程的核心部分也介绍完毕。有了函数式编程和命令式编程的知识，我们应该有信心解决大部分问题了。使用F#，我们可以选择合适的编程范式，而不是囿于特定的一种范式。下一站，我们将看到第三种主要的编程范式——面向对象编程。

注意：本文中的代码均在F# 1.9.4.17版本下编写，在F# CTP 1.9.6.0版本下可能不能通过编译。

参考：
《Foundations of F#》 by Robert Pickering
《Expert F#》 by Don Syme , Adam Granicz , Antonio Cisternino
《F# Specs》