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. 2/41
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. 2/41
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. 2/41
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. 3/41
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. 4/41
Sekce
Vstup/výstup
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 5/41
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. 6/41
Jak si představovat IO?
Analogie
Vstup/výstupní akci se představme jako krabici.
Hodnota akce je vždycky stejná ... krabice.
Ovšem obsah krabice je vnitřní výsledek akce.
Obsah je určen typem, avšak může mít různé hodnoty.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 7/41
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. 8/41
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. 9/41
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. 10/41
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. 11/41
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. 11/41
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. 12/41
Krabicová analogie pro operátor >>=
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 13/41
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. 14/41
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. 14/41
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 ()
Funkce pure
Alternativa k funkci return .
Použití funkce return je vzhledem ke kontextu známého
z imperativních programovacích funkcí částečně matoucí.
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 15/41
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. 16/41
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. 17/41
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. 18/41
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. 19/41
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. 20/41
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. 21/41
Sekce
Moduly
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 22/41
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. 23/41
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. 24/41
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. 25/41
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. 26/41
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. 27/41
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. 28/41
Sekce
Samostatně stojící programy
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 29/41
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. 30/41
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. 31/41
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. 32/41
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. 33/41
Sekce
Užitečné konstrukce Haskellu
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 34/41
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. 35/41
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. 36/41
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. 37/41
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. 38/41
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. 39/41
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. 40/41
USS Haskell
IB015 Neimperativní programování – 08 str. 41/41