Erlang 中文編程入門教程（上）

基礎

Erlang 是一種多用途編程語言，主要用於開發並發和分布式系統。它最初是一種專有的編程語言，Ericsson 使用它來開發電話和通信應用程序。Erlang 在 1998 年開放了其源代碼，之后，由於一些倍受矚目的項目（比如 Facebook 聊天系統）和創新的開放源碼項目（比如 CouchDB 的面向文檔數據庫管理系統）使用了 Erlang，Erlang 在近幾年越來越流行了。在本文中，將了解 Erlang 的概況，並將它的函數編程風格與其他編程模型（比如命令式、過程式和面向對象編程）進行對比。首先，學習如何創建第一個程序（Fibonacci 遞歸函數）。然后，了解 Erlang 語言的基礎知識，對於習慣使用 C、C++、Java™ 和 Python 的開發人員，一開始可能有點兒困難。

什么是 Erlang？

Erlang 由 Ericsson 開發，用於幫助開發管理許多電信項目的軟件。Erlang 的第一個版本發布於 1986 年，1998 年發布了它的第一個開放源碼版本。可以從擴展的 Erlang 版本信息中了解到，Open Telecom Platform (OTP) 是適用於 Erlang 的應用程序開發平台，也是交付 Erlang 開發環境的主要方法。

Erlang 提供許多在其他語言中不存在或難以管理的標准特性。Erlang 中之所以存在這些功能，是因為它最初用於電信領域。

例如，Erlang 包含一個非常簡單的並發模型，允許在同一主機上相對輕松地多次執行代碼塊。除了並發之外，Erlang 還使用一個錯誤模型，允許識別和處理這些進程中的錯誤（甚至可以用新進程處理），因此可以非常輕松地構建容錯能力很強的應用程序。最后，Erlang 包含內置的分布式處理，允許在一台計算機上運行組件的同時從另一台計算機請求它們。

總之，Erlang 為構建分布式、可伸縮和高性能的離散應用程序提供了良好的環境，我們常常使用這種應用程序支持現代網絡和基於 web 的應用程序。

 

函數編程與其他范例

Erlang 與其他流行的語言之間的主要差異是，Erlang 基本上是一種函數編程語言。函數編程與語言是否支持函數無關，而是指程序操作和組件的工作方式。

在函數編程中，按照與數學計算相似的方式設計語言的函數和操作，語言通過函數執行操作，函數接收輸入並生成結果。函數編程范例 (paradigm) 意味着對於相同的輸入值，代碼塊會產生相同的輸出值。因此，預測函數或程序的輸出容易得多，更容易調試和分析。

與之相對的編程范例是命令式編程語言，比如 Perl 或 Java，這類語言依賴於在執行期間應用程序狀態的改變。在命令式編程語言中，狀態的改變意味着：對於相同的輸入值，程序的組件可以根據程序當時的狀態而產生不同的結果。

函數編程方式很容易理解，但是如果您習慣了過程式和關注狀態的命令式語言，可能不太容易適應它。

 

獲得 Erlang

可以從 Erlang 網站直接獲得 Erlang（參見 參考資料）。許多 Linux 發行版的存儲庫中也包含它。例如，要想在 Gentoo 上安裝它，可以使用 $ emerge dev-lang/erlang。還可以使用$ apt-get install erlang 在 Ubuntu 或 Debian 發行版上安裝 Erlang。

對於其他 UNIX® 和 Linux 平台，可以下載源代碼並手工構建它。從源代碼構建 Erlang 需要 C 編譯器和 make 工具（參見 參考資料）。基本步驟如下：

1. 解壓源代碼：$ tar zxf otp_src_R14B01.tar.gz

2. 切換目錄：$ cd otp_src_R14B

3. 運行配置腳本：$ ./configure

4. 運行 make 以構建代碼：$ make

還可以從 Erlang 網站獲得 Windows® 安裝程序（參見 參考資料）。

 

第一個 Erlang 程序，一個遞歸的 Fibonacci 函數

要想了解函數編程風格的好處以及它在 Erlang 中的實現方式，最好的方法是了解 Fibonacci 函數。Fibonacci 數列是一種整數序列，可以使用以下算式計算各個 Fibonacci 值：F(n) = F(n-1) + F(n-2)。

第一個值 F(0) 的結果是 0，F(1) 的結果是 1。在此之后，通過把前兩個值相加求出 F(n)。例如，F(2) 的計算過程見 清單 1。

清單 1. F(2) 的計算過程

 

F(2) = F(2-1) + F(2-2)
F(2) = F(1) + F(0)
F(2) = 1 + 0
F(2) = 1

 

Fibonacci 數列對於許多系統（包括分析金融數據）都很重要，它還是在樹結構的主干和分支上安排葉節點的基礎。如果您玩過使用 3D 樹的視頻游戲，就會知道，這類游戲很可能使用 Fibonacci 數列來確定分支和葉的位置。

在用編程語言編寫 Fibonacci 計算時，可以使用遞歸來實現，即函數通過調用本身從 root（F(0) 和 F(1)）開始計算數字。

在 Erlang 中，可以用變量和固定的值創建函數。這樣可以簡化 Fibonacci 數列的計算，因為 F(0) 和 F(1) 返回的是固定的值，而不是計算出的值。

因此，基本函數有三種情況：提供的值是 0、1 和任何更高的值。在 Erlang 中，使用分號分隔語句，所以可以用 清單 2 所示的代碼定義基本 Fibonacci 函數。

清單 2. 基本 Fibonacci 函數

 

fibo(0) -> 0 ; 
fibo(1) -> 1 ; 
fibo(N) when N > 0 -> fibo(N-1) + fibo(N-2) .

 

第一行定義調用 fibo(0) 的結果（-> 把定義與函數體分隔開），第二行定義調用 fibo(1) 的結果，第三行定義在提供正值 N 時執行的計算。可以這樣做是因為在 Erlang 中有一個稱為模式匹配的系統，后面會詳細討論這個系統。注意，最后一個語句（和 Erlang 中的所有語句）以句號結尾。實際的計算非常簡單。

現在，我們來仔細查看一下 Erlang 語言的結構。

 

基礎知識

如果您習慣了 Perl、Python 或 PHP 等語言，那么 Erlang 的結構和布局看起來可能有點兒怪，但它的某些方面會極大地簡化應用程序的編寫過程，讓您不必為代碼的許多方面操心。尤其是，Erlang 代碼比其他語言少得多，某些操作、表達式和構造往往只有一行。

了解 Erlang 最簡便的方法是使用 Erlang shell。安裝 Erlang 之后，可以通過在命令行上執行 erl 運行 Erlang shell，參見 清單 3。

清單 3. 使用 Erlang shell

 

$ erl
Erlang R13B04 (erts-5.7.5) [source] [rq:1] [async-threads:0]

Eshell V5.7.5  (abort with ^G)
1>

 

可以在提示符下輸入語句（語句應該以句號結尾）。shell 會執行語句。因此，輸入一個簡單的求和語句會返回 清單 4 所示的結果。

清單 4. 輸入簡單的求和語句

 

1> 3+4.
7

 

下面使用 shell 研究一些數據類型和構造。

 

數據類型

Erlang 支持基本數據類型（比如整數和浮點數）和更復雜的結構（比如元組和列表）。

整數和大多數整數操作與其他語言相同。可以把兩個數字相加，參見 清單 5。

清單 5. 將兩個數字相加

 

1> 3+4.
7

 

可以使用圓括號組織算式，參見 清單 6。

清單 6. 使用圓括號組織算式

 

2> (4+5)*9
2> .
81

 

注意，在清單 6 中結束語句的句號在另一行上，輸入句號之后方可執行前面的計算。

在 Erlang 中，會使用浮點數代表實數，並且可以自然地表達浮點數，參見 清單 7。

清單 7. 自然地表示浮點數

 

3> 4.5 + 6.2 . 
10.7

 

還可以使用指數表示浮點數，參見 清單 8。

清單 8. 使用指數表示浮點數

 

4> 10.9E-2 +4.5
4> .
4.609

 

在整數和浮點數上，都支持使用標准的數學操作符（+、-、/ 和 *），可以在算式中混合使用浮點數和整數。但是，如果對浮點數使用取模和求余數操作符，則會產生錯誤，因為這些操作符只支持整數。

 

原子值

原子值是靜態的（即不變的）字面值。清單 9 給出一個示例。

清單 9. 原子值

 

8> abc.
abc
9> 'Quoted literal'.
'Quoted literal'

 

原子值的使用方式應該與 C 中的 #define 相同，也就是說，作為一種明確指定或標識值的方法。因此，對於原子值，惟一合法的操作是比較。還可以將原子值的這種使用方法擴展到布爾邏輯，利用原子值 true 和 false 來標識語句的布爾結果。原子值必須以小寫字母開頭，否則需要加上單引號。

例如，可以比較整數並獲得布爾原子值結果，參見 清單 10。

清單 10. 比較整數以獲得布爾原子值

 

10> 1 == 1.
true

 

還可以比較原子值，參見 清單 11。

清單 11. 比較原子值

 

11> abc == def.
false

 

原子值本身按字母表次序排序（即 z 的值大於 a），參見 清單 12。

清單 12. 原子值按字母表次序排序

 

13> a < z.
true

 

可以使用標准的布爾操作符，比如 and、or、xor 和 not。還可以使用 is_boolean() 函數檢查提供的值是 true 還是 false。

 

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元組

元組是復合的數據類型，用於存儲數據項的集合。元組要放在花括號中（參見 清單 13）。

清單 13. 元組

 

14> {abc, def, {0, 1}, ghi}.
{abc,def,{0,1},ghi}

 

一個元組的內容不必都是相同類型的。元組的構造很特殊，其中的第一個值為原子值。在這種情況下，第一個原子值稱為標簽，可以使用它來標識內容或對內容進行分類（參見 清單 14）。

清單 14. 第一個值為原子值的元組

 

16> { email, '[e-mail]'}.
{email,'[e-mail]'}

 

在這里標簽是 email，可以使用標簽標識此元組中其余的內容。

元組對於包含定義的元素和描述各種復雜數據結構非常有用。Erlang 允許顯式地設置和獲取元組中的值（參見 清單 15）。

清單 15. 顯式地設置和獲取元組中的值

 

17> element(3,{abc,def,ghi,jkl}).
ghi
18> setelement(3,{abc,def,ghi,jkl},mno).
{abc,def,mno,jkl}

 

注意，元組元素以 1 作為第一個值的索引，而不是像其他大多數語言中那樣從 0 開始。還可以將元祖作為整體進行比較（參見 清單 16）。

清單 16. 作為整體比較元組

 

19> {abc,def} == {abc,def}.
true
20> {abc,def} == {abc,mno}.
false

 

 

列表

最后一個數據類型是列表，列表用方括號表示。列表與元組相似，但是元組只能在比較中使用，而列表允許執行的操作更多。

基本的列表如 清單 17 所示。

清單 17. 基本的列表

 

22> [1,2,3,abc,def,ghi,[4,56,789]].
[1,2,3,abc,def,ghi,[4,56,789]]

 

字符串實際上是特殊類型的列表。Erlang 不直接支持字符串的概念，但是可以使用帶雙引號的值創建字符串值（參見 清單 18）。

清單 18. 使用帶雙引號的值創建字符串值

 

23> "Hello".
"Hello"

 

但是，字符串實際上只是由 ASCII 字符值組成的列表。因此，上面的字符串存儲為由 ASCII 字符值組成的列表（參見 清單 19）。

清單 19. 字符串存儲為由 ASCII 字符值組成的列表

 

24> [72,101,108,108,111].
"Hello"

 

還可以使用 $Character 表示法指定字符（參見 清單 20）。

清單 20. 使用 $Character 表示法指定字符

 

25> [$H,$e,$l,$l,$o].
"Hello"

 

列表（包括字符串，即字符的列表）支持許多操作。這是字符串與原子值之間的主要區別。原子值是靜態的標識符，但是可以通過操作字符串的組成部分（各個字符）來操作字符串。例如，不能標識原子值（比如 'Quick brown fox'）中的各個單詞，因為原子值是單一實體。但是，您可以把字符串分割為單詞：["Quick","brown","fox"]。

lists 模塊中提供了許多用於操作列表的函數。例如，可以使用 sort 函數對列表中的數據項進行排序。因為這些是內置的函數，所以必須指定模塊和函數名（參見 清單 21）。

清單 21. 指定模塊和函數名

 

34> lists:sort([4,5,3,2,6,1]).
[1,2,3,4,5,6]

 

 

列表操作

可以使用構造函數構造包含多個元素的列表，它用一個元素和另一個列表構造列表。在其他語言中，這種構造操作由用於 push() 的函數或操作符處理。在 Erlang 中，使用 |（管道）操作符分隔頭（列表的開頭）和尾，表達方式為 [Head|Tail]。頭是單一元素，尾是列表的其余部分。

清單 22 展示了如何在列表的開頭添加新的值。

清單 22. 在列表的開頭添加新的值

 

29> [1|[2,3]].
[1,2,3]

 

可以重復執行這種操作以構造整個列表，參見 清單 23。

清單 23. 重復執行這種操作以構造整個列表

 

31> [1|[2|[3|[]]]].
[1,2,3]

 

在這個示例中，末尾的空列表意味着您構造了一個結構良好（合適）的列表。注意，第一項必須是一個元素，不能是列表片段。如果以其他方式執行合並，則會構造一個嵌套式列表（參見 清單 24）。

清單 24. 構造嵌套的列表

 

30> [[1,2]|[2,3]].
[[1,2],2,3]

 

最后，可以使用 ++ 操作符合並列表，參見 清單 25。

清單 25. 使用 ++ 操作符合並列表

 

35> [1,2] ++ [3,4].
[1,2,3,4]

 

還可以從操作符左邊的列表中刪除右邊列表中的所有元素（參見 清單 26）。

清單 26. 刪除列表中的元素

 

36> [1,2,3,4] -- [2,4].
[1,3]

 

因為字符串是列表，所以這些操作也適用於字符串（參見 清單 27）。

清單 27. 這些操作也適用於字符串

 

37> "hello" ++ "world".
"helloworld"
40> ("hello" -- "ello") ++ "i".
"hi"

 

盡管這里只簡要介紹了數據類型，但是我們希望讓您對基本數據類型和操作有足夠的了解。

 

表達式和模式匹配

在研究數據類型時，我們已經看到了許多表達式和構造。表達式的重要元素是變量。Erlang 中的變量必須以大寫字母開頭，后面是大寫字母、小寫字母和下划線的任意組合（參見 清單 28）。

清單 28. Erlang 中的變量

 

41> Value = 99.
99

 

在 Erlang 中，在對變量賦值時，是一次性將值綁定到變量。綁定變量之后，就不能改變它的值（參見 清單 29）。

清單 29. 將值綁定到變量

 

42> Value = 100.
** exception error: no match of right hand side value 100

 

這與大多數語言不一樣 — 變量的定義通常意味着值是可變的。在 Erlang 中，只能賦值一次意味着：如果希望向計算某個值的結果，則必須將它賦值給新的變量（參見 清單 30）。

清單 30. Erlang 中變量的限制

 

43> Sum = Value + 100
199

 

只能賦值一次的好處是，在計算過程中很難意外地設置或改變變量值，這讓值的識別和調試變得更容易，也讓代碼更為清晰，有時候更簡短（因為可以簡化結構）。

注意，這種操作意味着先計算出值，然后把值綁定到變量。在其他語言中，可以根據函數或操作的引用設置值，這意味着值取決於訪問它時引用的值。在 Erlang 中，在創建變量時它的值總是已知的。

可以使用 f(Varname) 顯式地忽略一個變量的綁定，或使用 f() 忽略所有變量的綁定。

為變量賦值實際上就是一種特殊的模式匹配。Erlang 中的模式匹配還會處理各個語句的執行流，以及從復合數據類型（元組、數組）中提取出值。模式匹配的基本形式是：模式 = 表達式。

表達式由數據結構、綁定的變量（即具有值的變量）、數學操作符和函數調用組成。操作的兩邊必須匹配（也就是說，如果模式是包含兩個元素的元組，那么表達式的計算結果也必須是包含兩個元素的元組）。在執行表達式時，計算表達式並將結果賦值給模式。

例如，可以使用一個模式匹配同時為兩個變量賦值（參見 清單 31）。

清單 31. 同時給兩個變量賦值

 

48> {A,B} = {(9+45),abc}.
{54,abc}

 

注意，如果模式是綁定的變量，或者模式的元素是綁定的變量，那么模式匹配的結果就會變成比較。此操作支持實現強大的選擇性賦值。例如，為了從元組中獲取姓名和電子郵件地址，可以使用以下模式匹配：{contact, Name, Email} = {contact, "Me", "[e-mail]"}。

最后，可以按前面提到的構造表示方法，使用模式匹配從列表或元組中提取元素。例如，清單 32 展示了如何獲得列表中的前兩個元素，同時保留其余元素。

清單 32. 獲得列表中的前兩個元素，同時保留其余元素

 

53> [A,B|C] = [1,2,3,4,5,6].
[1,2,3,4,5,6]

 

A 賦值為 1，B 賦值為 2，C 賦值為列表的其余部分。

 

函數

與其他語言一樣，Erlang 中的函數是所有程序的基本組成部分。函數由函數名（由一個原子值定義）和圓括號中的零個或更多函數參數組成：sum(N,M) -> N+M。

函數必須在文件中的模塊中定義（不能在 shell 中定義函數）。參數可以包含復合數據類型。例如，可以使用元組中的標簽選擇不同的操作（參見 清單 33）。

清單 33. 可以使用元組中的標簽選擇不同的操作

 

mathexp({sum, N,M}) -> N+M ;
mathexp({sub, N,M}) -> N-M ;
mathexp({square, N}) -> N*N.

 

分號是每個函數定義之間的 “或” 操作符。使用模式匹配評估函數的參數，所以如果把包含三個元素的元組提供給 mathexp() 函數，模式匹配會失敗。

Erlang 中的函數還可以接受不同數量的參數。Erlang 會執行模式匹配，直到找到有效的函數定義，從而選擇適當的函數定義。函數的參數數量稱為元數 (arity)，用於幫助標識函數。

再看一下 Fibonacci 示例，現在您就會發現，當調用 fibo(0) 時，模式與函數的第一個定義匹配，fibo(1) 與第二個定義匹配，其他值與最后一個定義匹配。這也解釋了函數執行的遞歸是如何實現的。例如，在調用 fibo(9) 時，可以使用相應的值調用 fibo(N) 函數定義，直到到達fibo(0) 和 fibo(1) 函數定義（它們返回固定的值）。

任何函數的返回值都是子句（在我們的示例中只有一行）中最后一個表達式的結果。注意，只有在找到了匹配項且變量是函數局部變量的情況下，才會為變量賦值。

 

模塊

與其他語言中的模塊一樣，模塊用於把相似的函數集中在一起。

在文件中指定模塊名（必須與文件名匹配），然后指定模塊中希望導出到裝載此模塊的其他程序的函數。例如，清單 34 給出了文件 fib.erl，其中包含 fib 模塊的定義。

清單 34. fib.erl 文件

 

-module(fib).
-export([fibo/1, printfibo/1]).

%% print fibo arg. and result, with function as parameter

printfibo(N) -> 
   Res = fib:fibo(N),
   io:fwrite("~w ~w~n", [N, Res]).

fibo(0) -> 0 ; 
fibo(1) -> 1 ; 
fibo(N) when N > 0 -> fibo(N-1) + fibo(N-2) .

 

模塊聲明位於 -module() 行中。-export() 行包含要導出的函數的列表。每個函數的定義都給出了函數名和函數的元數，以便您能導出函數的特定定義。

要使用模塊，則需要編譯並裝載模塊。可以在 shell 中使用 c() 語句完成這個步驟，參見 清單 35。

清單 35. 使用 c() 語句編譯並裝載模塊

 

1> c(fib).
{ok,fib}
2> fib:printfibo(9).
9 34
ok

 

注意，函數調用包含模塊名，從而確保調用的是 fib 模塊中的 printfibo() 函數。

 

結束語

Erlang 的結構和格式與大多數其他語言有很大區別。盡管許多數據類型和基本的表達式是相同的，但是它們的用法和應用不太一樣。變量只能賦值一次，通過模式匹配系統對不同的表達式進行運算，這些特性給典型的語言環境提供了一些強大的擴展。例如，可以為同一函數定義多種處理方式，還可以對遞歸調用應用模式匹配，這樣做可以簡化某些函數。

在下一篇文章中，我們將討論 Erlang 的進程、消息解析和網絡功能，並通過研究 MochiWeb HTTP 服務器了解這種語言的強大功能和靈活性。

 

 

 

 

參考資料

學習

• Erlang 網站：尋找關於這種編程語言的更多信息。

• Erlang 的 Wikipedia 條目：進一步了解 Erlang 的歷史。

• 由 Martin Logan、Eric Merritt 和 Richard Carlsson 合著並由 Manning Publications 出版的Erlang and OTP in Action 講解了如何使用 Erlang 和 OTP 框架創建實用的應用程序。

• 由 Francesco Cesarini 和 Simon Thompson 合著並由 O'Reilly Media 出版的Erlang Programming: A Concurrent Approach to Software Development 深入解釋了 Erlang，這種編程語言非常適合要求並發性、容錯能力和快速響應的任何場合。

• 由 Joe Armstrong 撰寫並由 Pragmatic Programming 出版的 Programming Erlang: Software for a Concurrent World 講解如何用 Erlang 編程語言編寫高可靠性的應用程序（甚至能夠應對網絡和硬件故障）。

• developerWorks Web development 專區：尋找討論各種基於 web 的解決方案的文章。

• developerWorks 演示中心：觀看免費的演示，了解 IBM 及開放源碼技術和產品功能。

• 隨時關注 developerWorks 技術活動和網絡廣播。

• 訪問 developerWorks Open source 專區獲得豐富的 how-to 信息、工具和項目更新以及最受歡迎的文章和教程，幫助您用開放源碼技術進行開發，並將它們與 IBM 產品結合使用。

獲得產品和技術

• Erlang：下載 Erlang 編程語言。

• Apache CouchDB 項目：CouchDB 是使用 MochiWeb HTTP 服務器用 Erlang 編寫的，可以從 Apache 獲取它。