F#探险之旅（二）：函数式编程（中）

操作符（Operator）

F#中，可把操作符看作一种函数调用的更为优雅的方式。操作符有两种：前缀（prefix）和中缀（infix），前者接受一个操作数（operand），出现在操作数之前；后者接受两个或多个操作数，出现在头两个操作数之间。

F#提供了丰富的操作符集，可用于数字、布尔值、字符串和集合类型。这些操作符数量甚众，限于篇幅，在此不再一一详解。本文将着重介绍如何使用和定义操作符。

类似于C#，F#的操作符也可以重载，也就是说，我们可以将不同的类型用于同一操作符，如“+”；但是与C#不同的是，各个操作数必须为相同的类型。F#的操作符重载规则与C#类似，因此任何BCL或者使用C#编写的.NET类库中的支持操作符重载的类在F#中一样支持重载。

let words = "To live " + "is " + " to function." 

open System
let oneYearLater = DateTime.Now + new TimeSpan(365, 0, 0, 0, 0)

我们可以定义自己的操作符，也可以重定义已有的任何操作符（不建议这样做）。看看下面这种不好的做法：

let (+) a b = a – b
print_int (1 + 2)

看到这里，你想到了什么？是不是：这分明是在定义一个函数嘛！所以我们前面说“可把操作符看作一种函数调用的更为优雅的方式”。我们重定义了“+”操作符，所以“1 + 2”的结果为-1，这当然没什么好处，在VS中使用FSI时，怎样把“+”改回它原本的含义呢？我一般在任务管理器中把fsi进程关掉，再按回车，“+”就回来了。

自定义的操作符不能包含字母和数字，可以使用的字符如下：
!$%&+-./<=>?@^|~
:

操作符的第一个字符可以是上面第一行的任意字符，其后的字符则可以是上面的任意字符了。定义语法与函数类似，除了要将操作括起来。看下面的例子：

let (+^*) a b = (a + b) * (a * b)

结果为30。

列表（Lists）

列表是内置于F#的简单集合类型。可以是一个空表（empty list），使用方括号表示（[]）。我们可以将一个值与列表连接，此时要使用“::”操作符，注意要将值作为第一个操作数：

let emptyList = []
let oneItem = "one" :: []
let twoItem = "two" :: oneItem

在VS中可以看到oneItem的类型为string list。如果列表包含多个项，用上面的方法显得麻烦了，我们可以使用下面的语法：

let shortHand = ["hello "; "world!"]

另外我们还可使用“@”操作符来连接两个列表：

let concatenateLists = ["one, "; "two, "] @ ["three, "; "four"]

F#要求列表中的元素类型必须是相同的，如果你确实需要列表包含不同类型的元素，那只好创建一个obj（即System.Object）类型的列表了：

let objList = [box 1; box 2.0; box "three"]

其中第三个box是可选的，这个让我想起了C#中的装箱。

F#中的列表是不可修改的，一旦创建就不能修改了。作用于列表的函数和操作符也不能修改列表，而是创建了列表的一个副本。这个特性很像C#中的string类型。看下面的例子：

#light

let printList list =
    List.iter print_string list
    print_newline()

let threeItems = ["one "; "two "; "three "]
let reversedList = List.rev threeItems

printList threeItems
printList reversedList

 

上面的iter方法接受两个参数，第一个是函数，第二个是列表，其作用是将函数依次应用于列表的每个元素，有点像C#中的foreach循环。而rev方法则返回列表的逆序列表。

打印结果为：
one tow three
three two one

上述两个方法都没有改变原来的列表。要了解关于F#列表的更多信息，建议阅读这篇文章：Mastering F# Lists。

列表推导（List Comprehensions）

列表推导的概念源于数学，它使得创建和转换集合的操作变得简单。在F#中可以使用这样的推导语法直接创建列表，序列（sequence）和数组（序列和数组将在后面介绍）。要了解这个概念的更多内容可以查看：List_comprehension。

最简单的情况是指定列表的范围，如：

let numericList = [0 .. 9]
let charList = ['A' .. 'Z']

这两个列表的类型分别是int list和char list，范围分别是从0到9和从’A’到’Z’。
更复杂的情况是指定一个步长：

let multipleOfThree = [0 .. 3 .. 30]
let revNumericList = [9.. -1 .. 0]

第一个列表的值是0到30间所有3的倍数，第二个列表的元素则包含了从9递减至0。
我们还可以通过对一个列表进行循环操作得到另一个列表。例如：

let squares = [for x in 1 .. 10 -> x * x]

通过for进行循环，squares列表的元素是1到10间的整数的平方。
此外还可以为循环添加when子句对元素进行过滤，只有when子句的值为true时才对其进行运算：

let evens = [for x in 1 .. 10 when x % 2 = 0 -> x]

evens的元素为[2; 4; 6; 8; 10]。

控制流程（Control Flow）

F#拥有强的控制流程概念，这与很多纯函数式编程语言不同，在这些语言中表达式可以以任何顺序进行求值。看下面的例子：

let absoluteValue x =
    if x < 0 then
        -x
    elif x = 0 then
        0
    else
        x

if, elif, then, else组成的结构我们应当很熟悉，在F#中该结构是一个表达式，也就是说它需要返回一个值。而且每个分支返回的值应当具有相同的类型，否则就会有编译错误。如果确实要返回多个类型的值，在值前加box关键字，就像前面创建列表时那样，这样表达式的返回类型为obj。

类型与类型推导（Types and Type Inference）

F#是一种强类型的语言，传给函数的值必须是指定的类型。如果函数接受string类型的参数，就不能传给它int类型的值。一种语言处理其中值的类型的方式称为语言的类型系统。F#的类型系统与一般语言不同，包括函数在内，所有的值都具有自己的类型。

通常情况下，我们不需要显式地声明类型，编译器会尝试从值的文字值或调用的函数返回类型来判断其类型，这个过程称为类型推导。可在编译时使用-i开关来显示所有的推导类型，在VS中我们则可以使用工具提示来查看标识符的类型。先看下面值的类型推导情况：

let strValue = "String Value"
let intValue = 12

在fsi中可看到它们的信息是：

val strValue : string
val intValue : int

可以理解，编译器跟据赋给标识符的文字值来推导其类型。再看看下面函数的情况：

let makeMessage x = (string_of_bool x) + " is a boolean value"
let half x = x / 2

在fsi中可看到它们的信息是：

val makeMessage : bool -> string
val half : int -> int

有意思的是，函数名前面也有个val，这表明函数也是值，后面的bool -> string是什么意思呢？它表明函数接受bool类型参数，返回string类型的值，注意x作为string_of_bool的参数，所以x必须为bool类型，返回值是两个字符串相加的值，故返回值也是string类型。对于half函数，单从定义不能确定x类型，此时编译器采用默认的类型int。再看看稍微复杂点的情况：

let div1 x y = x / y
let div2 (x, y) = x / y

这两个函数的信息是：

val div1 : int -> int -> int
val div2 : int * int -> int

div1函数可接受部分参数（可柯里化），而div2则必须同时传入两个int类型的值。考虑下面的函数：

let doNothing x = x

其信息为：

val doNothing : 'a -> 'a

a’ -> a’表示函数接受任意类型，并返回与其相同类型的值。以’打头的类型表示可变类型（variable type），编译器虽然不能确定类型的参数，却能确定返回值类型必须与参数类型相同，类型系统的这种特性称为类型参数化，通过它编译器也能发现更多的类型错误。可变类型或类型参数化的概念，类似于.NET 2.0的泛型，如果F#基于支持泛型的CLI，那么它会充分利用泛型的优势。另外，F#的创建者Don Syme，正是CLR中泛型的设计者和实现者。

F#的类型推导固然强大，但它显然不能揣测出开发人员所有的心思来，如果有特殊需求该怎么办呢？看下面的例子：

let doNothingToFloat (x : float32) = x

float32即System.Single，这里我们手动指定了x的类型，这个有时称为类型标注（type annotation）。如果要在F#中使用其它.NET语言编写的类库，或者与非托管的类库进行互操作，它会很有用。

小结

接上一篇，本文继续介绍F#中的函数式编程范式，主要包含了操作符、列表、列表推导、类型推导、类型标注等概念。类型推导又称隐式类型，通常是——但不限于——函数式编程语言的特性，比如C# 3.0和VB.NET 9.0都提供了一定的支持，它使很多编程任务变得更为简单。

参考：
《Foundations of F#》 by Robert Pickering
《F# Specs》