学习笔记-涛讲F#（基础）

目录

• 简介
• 类型推导
• 多个输入参数的函数
• 定义单位
• 偏函数
• 常量也是函数
• 返回值（unit与ignore）
• 函数串联实现“开方乘十”
• 使用管道符 |>
• 元组（参数加上括号）
• F#中的类
• 记录
  • 复制和更新记录表达式
• 元组、记录、类的对比
• 联合
  • 使用联合做统一操作
  • 使用联合进行分类
  • 实现树数据结构
• IF和多分支
• 不可变的变量
• 不使用NULL（Some和None）

简介

F# 语言是面向 .NET 的多范例编程语言。 F# 支持函数式、命令式、面向对象的编程模式。
新建一个“Hello world”项目，代码如下：

// Learn more about F# at http://docs.microsoft.com/dotnet/fsharp
open System

// Define a function to construct a message to print
let from whom =
    sprintf "from %s" whom

[<EntryPoint>]
let main argv =
    let message = from "F#" // Call the function
    printfn "Hello world %s" message
    0 // return an integer exit code

注意以下几点：

• open 导入声明：导入声明指定模块或命名空间，无需使用完全限定的名称即可引用其中的元素，参考 导入声明：open 关键字。
• let 绑定：绑定可将标识符与值或函数相关联，let 关键字用于将名称绑定到值或函数，参考 let 绑定。
• [<EntryPoint>]：显式指定main入口函数（显式入口点），没有显示指定入口点时代码会从第一行执行到最后一行（隐式入口点），参考 控制台应用程序。

类型推导

F#会自动推导类型，也支持人工指定类型，代码如下：

//类型推导
let message = "F#" 

//指定类型
let (message:string) = "F#"

//指定错误类型-报错
let (message:int) = "F#"

多个输入参数的函数

函数有多个输入参数时，直接用空格分隔放在函数名后面，代码如下：

open System

//小孩票价三块，大人票价5块，求总价
let familyCost child adult =
    let result =child*3+adult*5
    result

[<EntryPoint>]
let main argv =
    let cost = familyCost 2 2 
    printfn $"total cost = {cost}"
    0 // return an integer exit code

注：如果参数添加括号，说明该组输入参数是元组。

定义单位

上面的familyCost函数调用时需要看函数定义才知道输入参数的含义，如果给每个参数定义一个单位代码就清晰多了，代码如下：

open System

//小孩票价三块，大人票价5块，求总价
let familyCost child adult =
    let result =child*3+adult*5
    result

[<Measure>]type 元
[<Measure>]type 小孩
[<Measure>]type 大人

let kidPrice=3<元/小孩>
let adultPrice=5<元/大人>

let familyCost2 (child:int<小孩>) (adult:int<大人>) =
    let result =child*kidPrice+adult*adultPrice
    result

[<EntryPoint>]
let main argv =
    let cost = familyCost 2 2 
    printfn $"total cost = {cost}"
    let cost2 = familyCost2 2<小孩> 2<大人>
    printfn $"total cost = {cost2}"
    0 // return an integer exit code

注：Measure 用于编译时单位检查，并不会生成在最终的代码中，不会影响性能也无法通过反射查看到。

Measure 的定义可以参考 度量单位，它的语法如下：

[<Measure>] type unit-name [ = measure ]

分别定义两个单位和它们之间的转换关系，代码如下：

//定义度量值 cm（厘米）
[<Measure>] type cm
//将度量值 ml（毫升）定义为立方厘米 (cm^3)
[<Measure>] type ml = cm^3

• 在涉及单位的公式中，支持整数幂（正和负）
• 单位之间的空格指示两个单位的积，* 也指示单位的积，/ 指示单位的商
• 对于倒数单位，可以使用负整数幂或 /（指示单位公式的分子与分母之间的分隔）， 分母中的多个单位应括在括号中
• / 后用空格分隔的单位解释为分母的一部分，但跟踪 * 后的任何单位都解释为分子的一部分，如单位公式 kg m s^-2 和 m /s s * kg 都会转换为 kg m/s^2
  两个单位涉及到数值转换的可以使用以下方式，代码如下：

//定义度量值 g（克）
[<Measure>] type g
//定义度量值 kg（千克）
[<Measure>] type kg
//定义转换常数，g kg^-1 与 g/kg 没有任何区别
let gramsPerKilogram : float<g kg^-1> = 1000.0<g/kg>
//定义转换函数
let convertGramsToKilograms (x : float<g>) = x / gramsPerKilogram

偏函数

偏函数是对原始函数的二次封装，将现有函数的部分参数预先绑定为指定值，从而得到一个新的函数，该函数就称为偏函数。
偏函数比原函数具有更少的可变参数，降低了函数调用的难度。
柯里化与偏函数并不完全等同，两者的区别可以参考 函数柯里化与偏函数。

一个简单的偏函数应用示例，代码如下：

let ask student ``a question`` = 
    printf "me ask %s: %s" student ``a question``

let askJohn =ask "John"

askJohn "How old are you?"

注意以下几点：

• 代码没有显示指定入口点，程序会从第一行代码开始执行
• F#变量命名支持空格，只需将变量用``括起来即可

常量也是函数

open System

//常量函数
let f1(x)=2
let f2 x=2
//常量
let f3 =2

返回值（unit与ignore）

每个 F# 表达式的计算结果必须为一个值，对于不生成相关值的表达式，使用 unit 类型的值。
unit 类型类似于 C# 和 C++ 等语言中的 void 类型，参考 unit 类型。
unit 类型具有单个值，该值由标记 () 指示，经常在 F# 编程中用于保存值是语言语法所必需的位置（但实际不需要任何值）。
因为 printf 操作的重要操作发生在函数中，所以函数不必返回实际值。 因此，printf 函数的返回值为 unit 类型，代码如下：

//返回值为unit
let print=printfn "check here %d"
print 3

//print2为unit类型值，内部会直接执行打印
let print2= print 4
//print2

//print3为函数，传入参数内部才会执行打印
let print3 _= print 5
print3 ()

关于unit类型的使用可以参考 F# 之 Unit 與 Ignore 簡介。

如果函数返回的不是unit类型并且程序没有处理返回值，就需要使用ignore消除警告：

let sum x y = x + y 
sum 2 3 |> ignore

函数串联实现“开方乘十”

“开方”和“乘十”是两个操作，可以通过 函数正向组合运算符 >> 组合两个函数，执行先开方再乘十的操作，代码如下：

//函数重命名
let 开方=sqrt
//操作符重定义
let 乘十=(*)10.
//函数串联
let 开方乘十=开方>>乘十

//36后面必须加一个 . 符号表示类型为float，否则不能进行sqrt运算
let result=开方乘十 36.
printfn $"result={result}"

操作符重定义代码需要注意，运算符是用括号括起来的特殊名称的函数-参考 F＃运算符重载。代码 let 乘十=(*)10. 相当于将基于加运算操作生成一个偏函数，所以后面的“10”替换的是加操作的前一个操作数。
一个简单的示例，代码如下：

//操作符重定义
let ``inc 1``=(+)1
let toKiloMeter=(*)1.6
let ``20 div``=(/)20

let result1=``inc 1`` 50
printfn $"result={result1}"
//打印结果：result=51

let result2=``20 div`` 4
printfn $"result={result2}"
//打印结果：result=5

使用管道符 |>

管道符 |>是F#内部实现的一个符号，其作用是将左侧表达式的结果传递给右侧的函数，实现代码其实很简单：

let inline (|>) x f = f x

继续使用“开方乘十”的示例，代码如下：

let 开方=sqrt
let 乘十=(*)10.
let 开方乘十=开方>>乘十

let 学生分数=60.0
let result=开方乘十 学生分数
printfn $"result={result}"

使用管道符可以让代码读写变得更轻松：

//原代码
//let result=开方乘十 学生分数
//使用管道符的代码
let result=学生分数 |> 开方乘十 

也可以把“开方乘十”函数展开：

let result=学生分数 |> 开方 |> 乘十 

格式化一下代码会更容易阅读：

let result=
    学生分数 
    |>开方
    |>乘十

元组（参数加上括号）

元组是一组未命名但有序的值，值的类型可能不同。 元组可以是引用类型或结构，具体定义参考 元组。
元组语法如下：

//引用元组
(element, ... , element)
//结构元组
struct(element, ... ,element )

注：上述语法中的每个 element 都可以是任何有效的 F# 表达式。

一个应用元组计算两点距离的示例：

let distance(x0,y0)(x1,y1)=sqrt((x0-x1)**2. + (y0-y1)**2.)

//不加括号定义元组
let a=2. ,2.0
//加括号定义元组
let original=(0.,0.)

let x=a |>distance original

printfn "%A" x

一个元组解构取值的示例：

let tuple=(1,2,3)
let b=(2,3,5)
let c=(tuple,12,13)

let (x,_,z)= tuple
let a,_,_=c 
let(x0,y0,z0),_,_=c 

printfn $"{x} and {z}"
printfn $"{a} and {x0}"

注：用_表示不关注的值，否则需要为所有不关注的值取一个不重复的名称。

元组只适合内部运算使用，不要将元组用于外部交互，这里的“外部”包括用户、同事甚至一段时间后的自己。

F#中的类

F#作为函数式编程语言，提供类的定义主要基于以下两方面考虑：

• 与其它面向对象语言交互
• 作为一门成熟的语言并不排斥面向对象中一些成熟的概念，比如类

在F#中类只是组织一些数据、一些方法的组织结构，定义类只需要使用type关键字即可。

一个定义狗的类，代码如下：

type Dog()=
    member val Age=2 with get,set
    member val Breed="狼狗" with get,set

    member this.叫()="汪汪"
    member this.哭()=printfn "呜呜"

let dog=Dog()
dog.叫()|>printfn "%s"
dog.哭()

F#中的类也支持构造函数、继承、虚方法等面向对象中的概念，有兴趣的可以看看 类 (F#)。

记录

记录表示已命名值的简单聚合，可选择包含成员。 记录可以是结构或引用类型， 默认情况下是引用类型，示例如下：

//在同一行上定义标签时，标签用分号分隔
type Point = { X: float; Y: float; Z: float; }

//您可以在自己的行上定义标签，可以使用分号，也可以不使用分号
type Customer = 
    { First: string
      Last: string;
      SSN: uint32
      AccountNumber: uint32; }

//结构记录
[<Struct>]
type StructPoint = 
    { X: float
      Y: float
      Z: float }

注：记录就是带了名字的元组，值会按照记录的域名自动匹配记录类型。如果遇到域名完全一样的记录，值的类型会匹配到最后定义的那个记录类型。

复制和更新记录表达式

复制和更新记录表达式是一个复制现有记录、更新指定字段并返回更新后的记录的表达式。

let myRecord2 = { MyRecord.X = 1; MyRecord.Y = 2; MyRecord.Z = 3 }
let myRecord3 = { myRecord2 with Y = 100; Z = 2 }

元组、记录、类的对比

一个简单的对比示例：

let dog0=("Tao","German shepherd","Lucky",3)

//匿名记录
let dog={|Owner="Tao";Breed="German shepherd";DogName="Lucky";Age=3;|}
    
type Dog()=
    member val Owner="Tao" with get
    member val Breed="German shepherd" with get
    member val DogNmae="Lucky" with get
    member val Age=3
let dog2=Dog()

三者优缺点如下：

• 元组：语法简单、方便，适用于函数内部或一些示例，不能用于外部交互
• 记录：语法适中、结构清晰，大多数情况都可以使用记录
• 类：语法略复杂，使用代价比记录略大，一般用的较少

总的来说，什么时候使用元组、记录、类要自己根据具体的场景来判断。

联合

F#中的联合类似于其他语言中的联合类型，但存在一些差异，具体区别参考 可区分联合。
一个简单的联合示例：

//Union，DU，or 联合曰type Point=
type Point=
    |TwoD of int*int
    |ThreeD of int*int*int 
    |OneD of int 

let p1=OneD(3);
let p2=TwoD(1,2)
let p3=ThreeD(2,3,5)
let printPoint (p:Point)=
    printfn "%A" p 

printPoint p2
printPoint p3

//打印结果
//TwoD (1, 2)
//ThreeD (2, 3, 5)

使用联合做统一操作

在面向对象中我们一般通过基类对不同类型的对象做统一操作，这种方法需要更改代码使操作对象继承同一个基类。
F#可以使用联合来实现对不同类型的对象做统一操作，并且不需要定义基类，代码如下：

//Uni//Union,DU,or 联合
type Dog={Owner:string;Breed:string;DogName:string;Age:int}
let dog ={Owner="Tao";Breed="corgi";DogName="Lucky";Age=2;}
type Cat()=
    member val Owner="Tao"with get,set 
    member val Name="Lovely"with get,set 
    member val Age=2 with get,set     
let cat=new Cat()

//定义联合
type Animal=
    |狗 of Dog
    |猫 of Cat

let printName animal=
    //模式匹配
    match animal with
    |狗 d->printfn "%A" d.DogName
    |猫 c->printfn "%A" c.Name

let d=狗 dog 
let c=猫 cat 

printName d
printName c

//打印结果
//"Lucky"
//"Lovely"

注：match 表达式提供基于表达式与一组模式的比较结果的分支控制，详细说明参考 模式匹配。

使用联合进行分类

联合不仅可以进行基类操作，还可以进行分类，代码如下：

type Category=
    | Zero
    | Small of int
    | Big
    | Huge
    | VeryHuge

let categorize x=
    match x with
    | 0 -> Zero
    | 1
    | 2 -> Small(x)
    | _ when x>2 && x<10 -> Big
    | _ when x>=10 && x<100 -> Huge
    | _ ->VeryHuge

categorize 2 
//交互执行结果：val it : Category = Small 2

实现树数据结构

联合可以是递归的，可将联合本身包含在一个或多个用例的类型中用于创建树结构，这些结构用于在编程语言中对表达式建模。
一个二叉树数据结构示例：

type Tree =
    | Tip
    | Node of int * Tree * Tree

let rec sumTree tree =
    match tree with
    | Tip -> 0
    | Node(value, left, right) ->
        value + sumTree(left) + sumTree(right)
let myTree = Node(0, Node(1, Node(2, Tip, Tip), Node(3, Tip, Tip)), Node(4, Tip, Tip))
let resultSumTree = sumTree myTree
// resultSumTree值为10

联合包括两个用例，即 Node（具有整数值以及左子树和右子树的节点）和 Tip（用于终止树），树的结构如下：

IF和多分支

F#中的if和其它语言类似，只是必须带else，否则报错。F#中的分支控制是由match负责，没有switch关键字。
示例如下：

//if必须带else
let f a=if a%2=0 then "even"else "odd"

//模式匹配（类似switch分支）
let f2 a=
    match a with
    | 0 -> "Zero"
    | 1 -> "One"
    | 2 -> "Two"
    //当a大于2且小于100时
    | _ when a > 2 && a < 180 -> "big number"
    //当a大于等于100时
    | _ when a >= 100 -> "huge number"
    //抛出异常 "I do not understand this number"
    | _ -> failwith "I do not understand this number"

注：failwith 函数会生成 F# 异常，用法参考 异常：failwith 函数。

不可变的变量

F# 认为不可变值最为重要，而不是可在程序执行过程中赋予新值的变量， 不可变数据是函数编程中的一个重要元素，参考 值。
如果过程语言中的代码使用变量赋值来更改值，函数语言中的等效代码会有一个作为输入的不可变值、一个不可变函数以及作为输出的其他不可变值。

//immutable 不可变变量
let a=2
//mutable 可变变量
let mutable b=3
//将新值赋给可变变量
b<-5

//交换值
let swap(a,b)=b,a  
let x=swap(2,4)

不使用NULL（Some和None）

F#中有NULL值，主要用来接受其它语言的NULL值，内部是不会使用NULL值的，参考 Null 值。
F#使用Some将数据分为：

• 可用（Some）：符合函数预期的合法值
• 不可用（None）：不符合函数预期的非法值（包括Null）

Some、None属于 Option 联合类型的用例，Option 类型是 F# 核心库中的简单可区分联合，声明方式如下：

type Option<'a> =
    | Some of 'a
    | None

一个判定数据合法、非法的示例：

let a=2

//只有0是合法值
let makeOption x=
    if x=0 then None
    else Some(x)

let f b=
    match b with
    | Some(_)->"average value"
    | None->"odd point"

a |> makeOption |> f