IB015 Neimperativní programování
Práce se vstupy a výstupy
Jiří Barnat
Libor Škarvada
Oprávněná stížnost studentů
Úryvek diskuse mezi studenty
... myslela jsem, že se budeme učit programovat ...
... zatím si jen hrajeme s ňákým blbým GHCI ...
... akorát obskurně zapisujeme funkce ...
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 2/39
Oprávněná stížnost studentů
Úryvek diskuse mezi studenty
... myslela jsem, že se budeme učit programovat ...
... zatím si jen hrajeme s ňákým blbým GHCI ...
... akorát obskurně zapisujeme funkce ...
WTF ???
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 2/39
Oprávněná stížnost studentů
Úryvek diskuse mezi studenty
... myslela jsem, že se budeme učit programovat ...
... zatím si jen hrajeme s ňákým blbým GHCI ...
... akorát obskurně zapisujeme funkce ...
WTF ???
Náplň dnešní lekce
Jak realizovat komunikace mezi programem a jeho okolím.
Napíšeme, přeložíme a spustíme první program v Haskellu.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 2/39
Co vlastně dělá takový program?
Samostaně spustitelný program
Posloupnost akcí, při kterých dochází k interakci programu
s okolním světem.
Interakce s okolím programu
Interakce s uživatelem skrze terminál.
Manipulace se soubory, čtení a zápis do souboru.
Interakce skrze grafické rozhraní.
Komunikace s operačním systémem.
...
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 3/39
Výpočty obalují vstup-výstupní akce
Práce s interpretem
Doposud naše programy v Haskellu žádné akce nepřipouštěly.
Žádný pokyn k výpisu výsledku jsme do programu nevkládali.
GHCI může za to, že po skončení výpočtu se vypíše výsledná
hodnota na terminál.
Samostatný program
Explicitní pokyny ke komunikaci s uživatelem.
Při akci čtení vstupu z terminálu, se výpočet zastaví a čeká,
až uživatel vloží text.
Dochází k prokládání výpočtu, tak jak jsme jej znali doposud,
a realizace vstup-výstupních akcí.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 4/39
Sekce
Vstup/výstup
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 5/39
Typy vstup/výstupních akcí
Typování vstup-výstupních akcí
Unární typový konstruktor IO a .
Typy vytvořené pomocí typového konstruktoru IO mají jednu
jedinou hodnotu, a to vstup-výstupní akci.
Tato hodnota nemá textovou reprezentaci (nelze ji vypsat).
Výstupní akce
Výstupní akce mají typ IO () .
putStrLn "Ahoj!":: IO ()
Vstupní akce
Vstupní akce mají typ IO a , kde typová proměnná a nabývá
hodnoty (typu) podle typu objektu, který vstupuje.
getLine :: IO String
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 6/39
Základní funkce pro výstup
putChar :: Char -> IO ()
Zapíše znak na standardní výstup.
putStr :: String -> IO ()
Zapíše řetězec na standardní výstup.
putStrLn :: String -> IO ()
Zapíše řetězec na standardní výstup a přídá znak konec řádku.
print :: Show a => a -> IO ()
Vypíše hodnotu jakéhokoliv tisknutelného typu na standardní
výstup, a přidá znak konec řádku.
Tisknutelné typy jsou instancí třídy Show .
Uživatelem definované typy nutno označit přídomkem
deriving Show .
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 7/39
Základní funkce pro vstup
getChar :: IO Char
Načte znak ze standardního vstupu.
getLine :: IO String
Načte řádek ze standardního vstupu.
getContents :: IO String
Čte veškerý obsah ze standardního vstupu jako jeden řetězec.
Obsah je čten líně, tj. až když je potřeba.
interact :: (String -> String) -> IO ()
Argumentem funkce interact je funkce, která zpracovává
řetězec a vrací řetězec.
Veškerý obsah ze standardního vstupu je předán této funkci a
výsledek vytištěn na standardní výstup.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 8/39
Vstup/výstup a referenční transparentnost
Referenční transparentnost
Daný výraz se vždy vyhodnotí na stejnou hodnotu, bez ohledu
na okolí (kontext), ve kterém je použit.
Programovací jazyk Haskell je referenčně transparentní.
Dopady na vstup-výstupní chování
Nelze napsat program, který by zpracoval vstup uživatele
a vyhodnotil se podle zadaného vstupu na různé hodnoty.
Lze napsat program, který zpracuje vstup a podle vstupu
vypíše na výstup různé výsledky.
Hodnoty předávané skrze vstup-výstupní akce nesouvisí
s hodnotou výrazu, který tuto vstup-výstupní akci realizuje.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 9/39
Vnitřní výsledek a vedlejší efekt
Otázka
Jestliže getLine načte řetězec ze vstupu a přitom má
hodnotu vstup-výstupní akce, což je hodnota typu IO a ,
konkrétně zde IO String , tak kde je ten načtený řetězec?
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 10/39
Vnitřní výsledek a vedlejší efekt
Otázka
Jestliže getLine načte řetězec ze vstupu a přitom má
hodnotu vstup-výstupní akce, což je hodnota typu IO a ,
konkrétně zde IO String , tak kde je ten načtený řetězec?
Odpověď
Načtený řetězec se uchová jako tzv. vnitřní výsledek
provedení této vstupní akce.
Skutečné načtení řetězce a zapamatování si vnitřního výsledku
je realizováno jako vedlejší efekt vyhodnocení výrazu
getLine .
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 10/39
Operátor >>=
Přístup k hodnotě vnitřního výsledku
Pomocí binárního operátoru >>= .
Ve výrazu f >>= g funguje operátor >>= tak, že vezme
vnitřní výsledek vstupní akce f a na tento aplikuje unární
funkci g , jejímž výsledkem je ovšem vstup-výstupní akce.
Výraz f >>= g tedy znamená, že:
f :: IO a
g :: a -> IO b
f >>= g :: IO b
Operátor »=
(>>=) :: IO a -> ( a -> IO b ) -> IO b
Následující zápis je ekvivalentní:
getLine >>= putStr
getLine >>= (\x -> putStr x)
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 11/39
Nesprávné použití operátoru >>=
Otázka
Operátor (>>=) nelze použít ke spojení vstup-výstupní akce a
funkce, která není vstup-výstupní akce, proč?
Příklad, takto nelze:
getLine >>= length
getLine >>= (\ x -> length x)
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 12/39
Nesprávné použití operátoru >>=
Otázka
Operátor (>>=) nelze použít ke spojení vstup-výstupní akce a
funkce, která není vstup-výstupní akce, proč?
Příklad, takto nelze:
getLine >>= length
getLine >>= (\ x -> length x)
Odpověď
Hodnota výrazu je závislá na zadaném vstupu!
Porušuje referenční transparentnost.
Typově nesprávně. „Jakmile jste v IO , nelze utéct“.
Správné použití:
getLine >>= print . length
getLine >>= (\ x -> print (length x))
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 12/39
Funkce return
Funkce return jako vstupní akce
Prázdná akce, jejíž provedení má za cíl pouze naplnit hodnotu
vnitřního výsledku.
return :: a -> IO a
return [’A’,’h’,’o’,’j’] :: IO String
Možné použití:
return [’A’,’h’,’o’,’j’] >>= putStr
Funkce return jako výstupní akce
Funkce return , může sloužit i jako výstupní akce, která
nemá žádný efekt.
return :: a -> IO a
return () :: IO ()
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 13/39
Řazení vstup-výstupních akcí
Řazení akcí, operátor >>
Binární operátor, který řadí vstup-výstupní akce.
Zapomíná/ničí hodnotu vnitřního výsledku.
Výraz má hodnotu poslední (druhé) vstup-výstupní akce.
(>>) :: IO a -> IO b -> IO b
Jak se chovají následující programy?
putStr "Jeje" >> putChar ’!’
getLine >> putStr "nic"
putStrLn "Napiš mi něco pěkného." >> getLine >>=
( \x -> putStr "Napsal jsi:" >> putStrLn x )
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 14/39
Funkce sequence
Dávkové spuštění akcí
Máme-li seznam vstup-výstupních akcí stejného typu, lze
funkce z tohoto seznamu spustit a provést jako dávku.
sequence :: [IO a] -> IO [a]
sequence [] = return []
sequence (a:s) = do x<-a
t <- sequence s
return (x:t)
Příklady použití
V případě výstupních akcí je výsledkem vyhodnocení výrazu
posloupnost výstupů, viz:
sequence [ putStr "Ahoj", putStr " ", putStr "světe!"]
V případě vstupních akcí, je výsledkem vyhodnocení výrazu
seznam vstupů, který je uložený jako vnitřní výsledek
vstup-výstupní akce, viz:
sequence [ getLine, getLine, getLine ] >>= print
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 15/39
Funkce mapM
Mapování IO akce na seznam argumentů
Aplikuje unární vstup-výstupní akci na seznam hodnot a
vzniklý seznam vstup-výstupních akcí provede.
mapM :: (a -> IO b) -> [a] -> IO [b]
mapM f = sequence . map f
Příklady použití
mapM putStr ["Den","Noc"]
vypíše DenNoc
mapM (\t -> putStr "Aa") [1,2,3,4,5]
vypíše AaAaAaAaAa
mapM (\x -> getLine) "aa»>= print
po zadání dvou řádků s obsahem radek1 a radek2
vypíše ["radek1","radek2"]
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 16/39
Jednoduchá práce se soubory
type FilePath = String
Definuje typový alias.
readFile :: FilePath -> IO String
Načte obsah souboru jako řetězec. Soubor je čten líně.
writeFile :: FilePath -> String -> IO ()
Zapíše řetězec do daného souboru (existující obsah smaže).
Hodnoty jiného typu než String lze konvertovat funkcí show .
appendFile :: FilePath -> String -> IO ()
Připíše řetězec do daného souboru.
Hodnoty jiného typu než String lze konvertovat funkcí show .
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 17/39
Zápis pomocí do „do notace“
Pozorování
Syntaktická konstrukce do slouží k alternativnímu zápisu
výrazu s operátory >>= a >> .
Následující zápis je ekvivalentní
putStr "vstup?" >>
getLine >>= \ x ->
putStr "výstup?" >>
getLine >>= \ y ->
readFile x >>= \ z ->
writeFile y (map toUpper z)
do putStr "vstup?"
x <- getLine
putStr "výstup?"
y <- getLine
z <- readFile x
writeFile y (map toUpper z)
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 18/39
Další IO funkce
Další předdefinované funkce
Existuje řada dalších funkcí, jejich definice však nejsou
automaticky zavedeny při startu programu, nebo interpretu.
Tyto funkce jsou definovány v tzv. modulech.
Například
System.IO
System.Directory
System.Time
...
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 19/39
Sekce
Moduly
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 20/39
Moduly v Haskellu
Modul v Haskellu
Kolekce spolu souvisejících funkcí, typů a typových tříd.
Program v Haskellu je tvořen hlavním modulem Main , který
následně importuje a používá funkce z jiných modulů.
Prelude je implicitně zavedený modul, který obsahuje definice
funkcí, které jsme doposud běžně používali.
Moduly umožňují strukturovat kód projektu, oddělit a
případně později znovupoužívat ucelené části kódu.
Příklady předdefinovaných modulů
Modul pro práci se seznamy – Data.List
Modul pro práci se znaky – Data.Char
Modul pro práci s komplexními čísly – Data.Complex
...
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 21/39
Moduly a jejich použití 1/2
Použití modulu
Před použitím funkcí a typů z modulu je třeba explicitně
požádat o zavedení tohoto modulu, tzv. importovat modul.
Klíčové slova import .
Možnosti importu
Importovat pouze vybrané, nebo skrýt některé funkce modulu.
Vynutit při použití funkce povinnou identifikaci modulu,
v podobě jméno_modulu.jméno_funkce (tzv. kvalifikace).
Přejmenovat kvalifikaci.
Příklady
import Data.Char
import qualified Data.Char
import qualified Data.Char as C
import qualified Data.Char as C (toUpper)
import qualified Data.Char as C hiding (toUpper)
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 22/39
Moduly a jejich použití 2/2
Pozorování
Kvalifikace funkcí z modulů zavede nový význam znaku tečka.
Příklad
import qualified Data.Char as C
import System.Directory
main = getDirectoryContents ".." »=
print . map (\x -> (C.toUpper.head) x : tail x)
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 23/39
Definice Modulu v Haskellu
Obecná definice
module Jméno (export1, ..., exportn ) where



import M1 spec1
...
import Mm specm



globální_deklarace
Automatické doplnění definice Main
Není-li uvedena hlavička, doplní se
module Main (main) where
Nevyskytuje-li se mezi importovanými moduly M1,...Mm
modul Prelude , doplní se
import Prelude
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 24/39
Příklad modulu – Datový typ Fifo
Datový typ Fifo
Datový kontejner (struktura, která uchovává prvky)
přistupovaný operacemi vlož prvek a vyber prvek.
Prvky jsou z datové struktury odebírány v tom pořadí, ve
kterém byly vkládány.
First-In-First-Out = FIFO
Operace by měly mít konstantní časovou složitost.
Realizace v Haskellu
Definice modulu Fifo
Použití modulu:
import Fifo
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 25/39
Příklad Modulu – Datový typ Fifo
module Fifo (FifoTyp, emptyq, headq, enqueue, dequeue) where
data FifoTyp a = Q [a] [a]
emptyq :: FifoTyp a
emptyq = Q [] []
enqueue :: a -> FifoTyp a -> FifoTyp a
enqueue x (Q h t) = Q h (x:t)
headq :: FifoTyp a -> a
headq (Q (x:_) _) = x
headq (Q [] []) = error "headq: prázdná fronta"
headq (Q [] t) = headq (Q (reverse t) [])
dequeue :: FifoTyp a -> FifoTyp a
dequeue (Q (_:h) t) = Q h t
dequeue (Q [] []) = error "dequeue: prázdná fronta"
dequeue (Q [] t) = dequeue (Q (reverse t) [])
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 26/39
Sekce
Samostatně stojící programy
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 27/39
Kompilace programu
Připomenutí
Interpretace vs. kompilace kódu.
Dosud jsme využívali interpret ghci .
Kód lze přeložit do samostatně spustitelného programu.
Překladač ghc .
Výhody přeloženého kódu
Přeložený kód je rychlejší než interpretovaný.
Na cílovou platformu není třeba instalovat interpret, ani
vývojové prostředí.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 28/39
Nazdar světe
Hlavní funkce – main
Spustitelný program musí obsahovat funkci main :: IO () .
Funkce je automaticky spuštěna po zavedení programu do
paměti.
Nazdar světe
main = putStrLn "Čaute lidi!"
Překlad
Kód umístěn v souboru hello.hs .
Překlad pomocí ghc hello.hs -o hello
Vytvořen spustitelný soubor hello .
Vzniknou pomocné soubory hello.hi a hello.o , lze smazat.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 29/39
Funkce show a read
Změna typu
Vstup/Výstup je obvykle realizován v objektech typu String .
Převést objekty na řetězec a zpět je možné pomocí funkcí:
show :: Show a => a -> String
read :: Read a => String -> a
Asymetrie použití
Použití show a read není symetrické, při použití read je
třeba uvést do jakého typu chceme řetězec transformovat.
show 123 ∗
"123"
read "123" ∗
ERROR
(read "123")::Int ∗
123
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 30/39
Příklad s parsováním vstupu
Parsování vstupu
Převedou se pouze 100% správně strukturované řetězce.
(read "[1,2,3]")::[Char] ∗
ERROR
(read "[1,2,3]")::[Int] ∗
[1,2,3]
(read "[1,2,3]")::[Float] ∗
[1.0,2.0,3.0]
Program plus1
Tento program vyzve uživatele, aby zadal celé číslo, pak toto
číslo přečte, převede na objekt typu Int , přičte jedničku a
zvýšené číslo vytiskne.
main = do putStrLn "Napis cele cislo:"
x <- getLine
print (1 + read x::Int)
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 31/39
Sekce
Užitečné konstrukce Haskellu
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 32/39
Syntaktická konstrukce case
Pozorování
Víceřádkové definice funkcí realizují větvení kódu.
Více řádkovou definici lze ekvivalentně přepsat s využitím
klíčového slova case .
Syntaktická konstrukce case
case expression of
pattern1 -> expression1
...
patternn -> expressionn
Textové zarovnání vzorů je nutné.
Všechny výrazy na pravých stranách musí být stejného typu.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 33/39
Syntaktická konstrukce case – příklady
Úkol 1
Definujte funkci take s využitím konstrukce case .
Řešení:
take m ys = case (m,ys) of
(0,_) -> []
(_,[]) -> []
(n,x:xs) -> x : take (n-1) xs
Úkol 2
Zapište pomocí case výraz if e1 then e2 else e3 .
Řešení:
case (e1) of True -> e2
False -> e3
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 34/39
Strážené definice funkcí
Stráž
Stráž je výraz typu Bool přidružený k definičnímu přiřazení.
Při výpočtu bude tato definice funkce realizována, pouze
pokud bude asociovaný výraz vyhodnocen na True .
function args
| guard1 = expression1
...
| guardn = expressionn
| otherwise = default expression
Pozorování
Konstrukce nerozšiřuje výrazové možnosti jazyka, ale je
pohodlná (syntaktický cukr).
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 35/39
Strážené definice funkcí – příklady
Příklad 1
f x | (x>3) = "vetsi nez 3"
| (x>2) = "vetsi nez 2"
| (x>1) = "vetsi nez 1"
f 2 ∗
"vetsi nez 1"
f 1 ∗
ERROR
Příklad 2
g (a:x)
| x==[] = "Almost empty."
| x/=[] = "At least 2 members."
| otherwise = "Unreachable code."
g _ = "Nothingness."
g [] ∗
"Nothingness."
g "Ahoj" ∗
"At least 2 members."
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 36/39
Monáda a typ IO
Pozorování
Při vypisování typů programů pracující s IO můžete narazit na
typovou třídu Monad , která je zobezněním typu IO .
Například:
(>>) :: Monad m => m a -> m b -> m b
Monadické typy jsou v pokročilém Haskellu běžné, ale jsou za
hranicí, která je stanovena pro tuto přednášku.
Pro účely této přednášky je v pořádku otypovat pomocí IO :
(>>) :: IO a -> IO b -> IO b
Wanna more?
IB016 Seminář z funkcionálního programování
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 37/39
Checkpoint
Vstup/výstup
Napište program, který vyzve uživatele, aby zadal 16 čísel
oddělených mezerou, a poté tato čísla vypíše v matici velikosti
4x4.
Napište program, který ve vhodně formátovaném výstupu
(např. rozbalený souborový strom) vypíše obsah aktuálního
adresáře včetně všech jeho podúrovní.
Vstup-výstupní programy vytvářejte jako samostatně
spustitelné programy.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 38/39
USS Haskell
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 39/39