Erlang程式设计与问题解决/Erlang/OTP 程式库

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本章介绍 Erlang 开源电信平台 (Open Telecom Platform, OTP) 的执行环境指令与程式库。

Erlang/OTP 平台提供一个编译器、一个直译器、一套程式库、一套伺服器协定、以及 CORBA 。 Erlang/OTP 的 Windows 版本平台有视窗模式的控制台可用。 Erlang 是函数语言，在 Erlang 控制台中，使用指令也是函数呼叫。当你启动控制台时，会载入 Erlang 程式库。 Erlang 程式库区分为许多模组，负责处理多种方面的问题与需求。 Erlang 控制台中，内定的模组为 erlang ，当执行 erlang 模组的函数时，可以不加上模组前缀字 ( erlang: ) 。使用其他模组则必须以模组名称做为前缀字。每一个模组提供许多函数，这些函数都为了执行与该模组有关的操作。

我们称各种模组提供的各种函数为：内建函数 ( Built-In Function, BIF ) 。

模组简介

Erlang 分为几个应用程式，有 kernel 、 compiler 、 stdlib 、 mnesia ... 等等。

应用程式概观

当你要使用 Erlang ，是以使用 Erlang runtime 系统为开始。 Erlang 以 kernel 应用程式开始，载入一些控制器、编码服务、错误记录服务、作业系统及网路服务模组等等。由 sasl 应用程式 ( 系统程式支援 ) 提供警讯、回报系统及系统工具。

当你在撰写 Erlang 程式时， stdlib 程式库提供了大量内建函数，提供一些应用方面的细节，包含资料、行程、档案、网路等各方面的操作功能。 mnesia 应用程式提供分散式的资料库管理系统，以关联式及物件式混搭模型做资料操作。

STDLIB 模组列表

资料结构方面

有 array 模组、 lists 模组、 string 模组、 sets 模组、 ordsets 模组 ( ordered set ) 、 sofs 模组 ( set of sets ) 、 queue 模组 、 dict 模组、 orddict 模组 ( ordered dictionary ) 、 proplists 模组 ( property lists ) 、 digraph 模组及 digraph_utils 模组、 gb_trees 模组 ( general balanced trees ) 与 gb_sets ( 用 general balanced tree 做 ordered set ) 。

行程方面

有 proc_lib 模组 ( 提供行程操作 ) 、 pool 模组 ( 管理 Erlang 行程 ) 。

资料库方面

qlc 模组 ( 提供对 ets 、 dets 与 mnesia 资料表查询的介面语言 ) 。

网路方面

pg 模组 ( distributed, named process groups ) 、 slave 模组 ( 提供网路子节点操作 ) 。

样版

有一些模组提供应用程式样版，有 gen_server 模组、 gen_fsm 模组 ( finite state machine ) 、 gen_event 模组、 supervisor 模组、 supervisor_bridge 模组

io 与 io_lib 模组

提供输入或输出函数。

calendar 模组

处理日期格式。

ets 模组

称为 Erlang Term Service ，提供对大量资料做随机存取的功能，在记忆体中处理资料。

dets 模组

ets 的磁碟版本，在档案中处理资料。

filelib 模组

档案系统工具。

file_sorter 模组

提供将档案内容排序或合并的功能。

filename 模组

处理档案名称的撷取、分割或合并。

zip 模组

操作 zip 档案。

math 模组

提供常用的数学公式演算。

random 模组：提供随机数操作。

regexp 及 re 模组

对字串做正规表达检查。

timer 模组

提供计时操作。

unicode 模组

提供 Unicode 字码转换。

sys 模组

提供系统资讯操作，包含统计程式执行结果、追踪程式执行 ... 等等。

Erlang 控制台模组

当进入 Erlang 控制台时，会预先载入一些模组，其中有 c 模组，称为命令介面模组 (Command Interface Module) 。在 Erlang 控制台使用以下命令时，不需要前缀模组名称。

ls/0, ls/1

类似 Unix/Linux 的档案列表命令 ls ，也类似 Windows 的 dir 。

ls/0 和 ls/1 都是没有传回值的函数，只有执行时会做出列出目录档案列表的效果。 ls/0 列出目前目录档案，而 ls/1 列出指定目录的档案。目录名称为字串。

cd/1

更换目录，用法与 Window 、 Unix/Linux 的 cd 相同。

cd/1 需要一个参数，为绝对档案路径或相对档案路径。 cd/1 函数没有传回值，只有执行切换目录的效果。切换之后，会印出当前目录的路径。如果切换之后印出的目录路径不变，表示目录没有完成切换，隐含了所指定要切换的绝对档案路径或相对档案路径无效。

c/1, c/2

编译 Erlang 程式。

c/1 和 c/2 是用来将 .erl 编译为 .beam 档案，以供程式执行。 c/1 直接编译目前目录能看到的模组，需要给它一个参数，为模组名称：例如，档名为 "test.erl" ，编译命令则是 "c(test)." 。当编译成功时，传回 {ok,模组名称} ；失败则传回 error 。程式如果需要警告或警示错误，会在编译时一并印出相关讯息。

> c(test).
{ok,test}
> c(empty).
./empty.erl:none: no such file or directory
error

c/2 等同于 compile:file/2 ，需要一个模组名称与编译参数。

halt/0, q/0

关闭 Erlang 控制台。

halt/0 是将 Erlang runtime 系统正常关闭。 q/0 是呼叫 init:stop/0 ，以在控制之内的方式使 Erlang 程序结束。

halt/0 是 erlang 模组内建函数 ( erlang:halt/0 ) 。有一些 erlang 模组的函数，使用时不必在前面加缀模组名称。

help/0

列出命令列表。

Erlang 控制台还提供许多便利的命令，可以使用 help(). 命令，列出清单及说明。

lists 模组

前面几章大量使用了 lists:seq/2 。当我需要用到一串数字，我不自己打字输入，而是叫 Erlang 帮忙产生的时候，就会用到 lists:seq/2 。 lists:seq/2 的定义是：参数给二个数字，它会产生从第一个数字到第二数字的递增序列。

列表的产生

> lists:seq(1,100).
[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,
 23,24,25,26,27,28,29|...]

有时，我想要为一个列表的每个项目都加上一个编号，这时会使用 lists:zip/2 ，把这个列表跟一个对等的整数列表两两贴齐，像拉上拉链一样。 lists:zip/2 的定义是：将二个长度相同的列表“拉上拉链”连接起来。以下例子，是将列表加上索引，使结果看起来像阵列。

-module(example).
-export([indexing/1]).
indexing(Xs) ->
    Is = lists:seq(0,length(Xs)-1),
    lists:zip(Is,Xs).

> example:indexing([a,b,c]).
[{0,a},{1,b},{2,c}]

lists:map/2 容许你给一个函数，让列表的每一个项目都套用这个函数：例如，以下是将列表的每个项目都求平方。

> lists:map(fun (X) -> X * X end, lists:seq(1,10)).
[1,4,9,16,25,36,49,64,81,100]

列表的增删

有二个函数与 lists:map/2 很类似， lists:takewhile/2 是依序判断列表每一个项目，如果判断函数传回 true ，就从列表取出该项目，如此一直取到遇到不符合判断函数为止。， lists:dropwhil/2 相对地，是依序判断列表每一个项目，如果判断函数传回 true 就从列表删掉该项目，否则就中断，传回剩下的列表。也就是，前者从列表前段取最长一段完全符合判断函数的子列表，后者从列表前段删去最长一段完全符合判断函数的子列表。以下，示范二个例子，分别展示二个函数。

> lists:takewhile(fun (X) -> X > 5 end, [6,6,8,7,4,8]).
[6,6,8,7]
> lists:dropwhile(fun (X) -> X > 5 end, [6,6,5,7,4,8]).
[5,7,4,8]

lists:filter/2 与前二者有相同的操作方式。 lists:filter/2 的定义是：根据指定的判断函数，将列表中符合条件的项目取出。

> lists:filter(fun(X)-> X /= nil end, [nil,{a,b,d},{b,nil,c},{d,nil,nil}]).
[{a,b,d},{b,nil,c},{d,nil,nil}]

而这样的函数呼叫，与以下的列表列示 ( list comprehension ) 有相同的意义：

> [ X || X <- [nil,{a,b,d},{b,nil,c},{d,nil,nil}], X /= nil ].
[{a,b,d},{b,nil,c},{d,nil,nil}]

列表的更换顺序

lists:reverse/1 可以把列表前后顺序倒转。 lists:sort/1 可以求排序之后的列表。

如果你有个列表，其中每一项目是以值组 ( tuple ) 表达，这个列表的排序是要用值组的其中一个项目做关键值排序。对于这样的需求， lists:keysort/2 可以提供服务：例如，对 [{8,c},{4,a},{6,b},{5,d}] 分别用每个项目的第一栏排序，或是用第二栏排序，结果为

> lists:keysort(1,[{8,c},{4,a},{6,b},{5,d}]).
[{4,a},{5,d},{6,b},{8,c}]
> lists:keysort(2,[{8,c},{4,a},{6,b},{5,d}]).
[{4,a},{6,b},{8,c},{5,d}]

另外，有 lists:merge/2 函数可将二个已排序的列表做合并。

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

列表撷取、分割、合并

子列表的撷取，除了可以用 lists:takewhile/2 、 lists:dropwhile/2 之外，还可以用 lists:sublist/2 、 lists:sublist/3 ，直接指定要撷取的长度与位置。 lists:sublist/2 给一个长度参数，会取出指定长度的子列表。

> lists:sublist([1,2,3,4], 3).
[1,2,3]
> lists:sublist([1,2,3,4], 5).
[1,2,3,4]

lists:sublist/3 给一个开始位置参数和一个长度参数，会从指定位置开始，取指定长度的子列表。

> lists:sublist([1,2,3,4],1,2).
[1,2]
> lists:sublist([1,2,3,4],2,4).
[2,3,4]

须注意，用在列表的项目位置是以 1 为底，不像一般谈阵列元素位置都是以 0 为底。以上 lists:sublist/2 、 lists:sublist/3 的位置和长度参数都要用大于 0 的数字。

lists:split/2 可用指定的长度参数，将列表分割为前后二段，并且前段长度为指定的长度。长度参数有边界限制。

> lists:split(0, [a,b,c]).
{[],[a,b,c]}

另外，有 lists:partition/2 可以根据一个判断函数，将列表分为符合的部份与不符合的部份。

> lists:partition(fun (X) -> X < 5 end, [1,5,6,2,3,7,8,4]).
{[1,2,3,4],[5,6,7,8]}

有时，我们会拿到巢状的列表，列表的每个元素仍是列表。如果需要将这些深度的列表结构摊平，可以使用 lists:flatten/1 。

> lists:flatten([[[]],[],[[]]]).
[]
> lists:flatten([[[a,b],[c,d]],[[e,f] ]]).
[a,b,c,d,e,f]

对于上例的情况， [[[a,b],[c,d]],[[e,f] ]] ，有时会想要把 [a,b] 、 [c,d] 、 [e,f] 等单元结构保留。这种情况恰好可以使用 lists:append/1 。

> lists:append([[[a,b],[c,d]],[[e,f] ]]).
[[a,b],[c,d],[e,f]]

另外有个 lists:concat/1 函数，与 lists:append/1 很像，不过， lists:concat/1 是将列表中的每一项目都当作字串，并将原子项目转换为字串，结果是传回一个合并字串。

> lists:concat([a,b,c,d,e,f]).
"abcdef"

不过在某方面， lists:concat/1 与 lists:append/1 拥有相同效果。

> lists:concat([[[a,b],[c,d]],[[e,f] ]]).
[[a,b],[c,d],[e,f]]

列表元素操作

列表的首元素可以由以 [H|_] 样式匹配而取出 H 值。最后一个列表元素则用 lists:last/1 取得。

至于任何一个位置的列表元素，则使用 lists:nth/2 取出。

> lists:nth(2, [a,b,c,d]).
b

使用 lists:delete/2 可以将指定的元素，从列表中第一个符合的位置，把元素删除。

> lists:delete(1,[1,1,1,1]).
[1,1,1]

效果与使用 -- [1] 相同。

> [1,1,1,1] -- [1].
[1,1,1]

另外有 lists:subtract/2 函数与 -- 运算子等价。

高阶列表函数

lists:foldr/3 、 lists:foldl/3 提供以折叠方式处理一列资料。折叠的概念是说，每一折都是将新的一折折到已经折好的折叠组上。重写一次，每一折都是将“新的一折”“折到”“已经折好的折叠组”上。“新的一折”、“折到”、“已经折好的折叠组”，只要抓住这些元素，再加上“空的折叠组是 [] ”这样的基础，就可以用一个函数把这种折叠的过程表达出来。首先，“折到”是一个函数，它有二个参数分别是“新的一折”和“已经折好的折叠组”。以下例子是在 Erlang 控制台，用 lambda 表示法定义一个“折到”函数。

> Fold = fun (X, Y) -> [X|Y] end.

lists:foldr/3 和 lists:foldl/3 接受相同的三个参数，分别是，折叠函数、基本情况与要处理的列表。当我们想要从一个列表建立出另一个相同的列表时，折叠函数是上述的 Fold ，基本情况是 [] 。于是，以下例子展示重复一个列表自身而产生新列表的函数呼叫。

> lists:foldr(Fold, [], [a,b,c]).
[a,b,c]

如果我们写折叠函数如下：

> Plus = fun (X, Y) -> X + Y end.

那么，以下程式实现 lists:sum/1 ，将一个列表值加总。

> lists:foldr(Plus, 0, lists:seq(1,10)).
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练习

一元二次数学式

请写一函数，将系数───依序为 [1,2,1] ───表示为一元二次数学式，即 X² + 2X¹ + X⁰ 。当函数接受了一个数代表 X ，就会计算结果。

一元五次数学式

请写一函数，用到 lists:foldl/3 而不用递回，将系数───依序为 [3,0,5,2,4,1] ───表示为一元五次数学式，即 3X⁵ + 0X⁴ + 5X³ + 2X² + 4X¹ + X⁰ 。当函数接受了一个数代表 X ，就会计算结果。

阵列模组

Erlang/OTP标准程式库的阵列模组 array ，用来制作函数式、并且可延长的阵列。称为阵列，特色当然是以 0 为底。 ( 再次强调，阵列以 0 为底，而相较地，列表和字串以及值组都以 1 为底。 ) 阵列长度可以固定，也可以自动延长。阵列可以在产生时赋值，否则，阵列的每个元素以 undefined 为预设值。使用 array:reset/2 可以将阵列内容回复为预设值。使用 array:resize/2 或 array:resize/1 可以调整阵列的长度。须注意，阵列长度不会自动缩短，一但你用了索引值 i 在重新调整阵列长度之前，从索引值 0 ... i 的阵列空间会一直留著。

阵列的产生

使用 array:new/1 建立新阵列，要加上一些参数，这些参数是分别是一些表示阵列长度、固定性及预设值的词汇。词汇表达为：

1. 任何数字，或 {size, 数字} 代表阵列长度。
2. fixed 或 {fixed, true} 代表固定阵列； {fixed, false} 代表变动阵列。
3. {default, 值} 代表预设值。

打开 Erlang 主控台，输入以下情况并观察结果：

 ( 建立一個陣列，擁有一個元素。陣列固定長度，並且預設值為 10 。 )
> T = array:new([1,{fixed,true},{default,10}]).
{array,1,0,10,10}
 ( 轉換為列表，直接看內容資料。預設值 10 被解讀為字元 \n 。 )
> array:to_list(T).
"\n"
 ( 取陣列第 0 索引值的元素。 )
> array:get(0, T).
10
> array:get(1, T).
** exception error: bad argument
     in function  array:get/2

由例子中可以学到，array:to_list/1 将阵列转换为列表， array:get/2 对阵列取指定索引的元素。

阵列的更动

array:set/3 是将指定的阵列元素赋值，三个参数依序为索引值、要赋与的值、以及阵列识别项。如果阵列是固定长度，给超出长度的索引赋值会失败。如果阵列是变动长度，同样的动作会使阵列长度增加。

 ( 延續上例，對索引值 1 的陣列元素賦值，結果會失敗。 )
> array:set(1, hello, T).
** exception error: bad argument
     in function  array:set/3
 ( 將陣列放寬為變動長度 。 )
> T1 = array:relax(T).
{array,1,10,10,10}
> array:set(1, hello, T1).
{array,2,10,10,{10,hello,10,10,10,10,10,10,10,10}}
> array:to_list(array:set(1,hello,T1)).
[10,hello]

在例子中的 array:relax/1 是将固定长度阵列改变为变动长度阵列。另外有 array:fix/1 是将变动长度阵列改变为固定长度阵列。

取得阵列属性

array:size/1 可读取阵列长度。 array:is_fix/1 判断阵列的固定性。 array:default/1 读取阵列元素的预设值。

array:is_array/1 判断参数是否为阵列，不过，这个函数是做比较粗略的判断工作，并不会检查阵列是否有良好格式。

字串模组

Erlang 称字串为整数列表，这表示字串拥有一部份列表的性质，而列表仍有许多字串所没有的用途与用法。所以，对字串处理， Erlang 提供了 string 模组来帮忙。

一进入 string 模组的范围，我们先看到 string:len/1 可以求字串长度。这与使用 erlang:length/1 求列表长度的功能相同。此外，你应该晓得，对字串处理，较明确的需求是：字串分割、合并，寻找子字串，取子字串，以及把字串转为数字或其他类型等等。

字串分割与合并

string:tokens/2 使用一些分隔符号把字串分割，分隔符号参数为一个或多个符号。 string:join/2 使用一些分隔符号将字串合并，分隔符号参数只代表一个分隔符号。

一个分隔符号的例子：

> string:tokens("hello, my world", ", .").
["hello","my","world"]

上例意思说是用逗号 "," 、空格 " " 或句号 "." 做分隔符号。字串分割结果是能将一般英文句子的字都拿出来，构成一个字串的列表。将来一旦考虑到一般英文句子的分解，你要想到冒号 ":" 、分号 ";" 以及单、双引号的情况，不一定都只用 string:tokens/2 就能妥善处理，因为单引号也有做连写词汇的用法 ( this is —— this's ) ，而且把逗点放在右边双引号的前面是英文的惯例。

以下为合并字串的例子，只使用一个分隔符号：

> string:join(["hello","my","world"], "=v=").
"hello=v=my=v=world"

另外，有个 string:concat/2 可以将二个字串连接成一个字串：

> string:concat("hello,", " world").
"hello, world"

最后，有个独特的 string:words/2 ，使用一个字元符号来告诉我们，会分解出多少个段落。例子如下：

> string:words("hello, my world").
3
> string:words("hello, my world", $m).
2

上例第一项呼叫 string:words/1 ，预设使用空格符号。第二项使用字母 m 为分隔符号，结果会有二个段落。 ( 在此要提醒，仔细阅读 API 文件，不要对函数的字面望文生义。像这个 string:words/1 并没有自动从句子中找出英文字这种聪明的功能，如果误解了它的意思，可能会误用。 )

子字串处理

使用 string:str/2 可以判断一个字串是否包含另一个字串，如果找到子字串就传回子字串位置。需注意，如果没有找到子字串，是传回 0 。 找子字串是从左端开始找最靠左的子字串。同一个函数，有从右端找子字串的版本 string:rstr/2 ，是从右端开始找最靠右的子字串。

> string:str("hello, world", "hello, world!").
0
> string:str("hello, world", "world").
8
> string:str("coffe or tea or wine", "or").    
7
> string:rstr("coffe or tea or wine", "or").
14

至于撷取子字串， Erlang STDLIB 提供了 string:substr/x 和 string:sub_string/x 二种版本。二种版本分别又可有二个参数，或有三个参数。

string:substr/2 和 string:sub_string/2 都是从字串中取指定开始位置到字串结尾的子字串。

> string:substr("hello, world", 7).
" world"
> string:sub_string("hello, world", 7).
" world"

string:substr/3 从开始位置取指定长度的子字串。

> string:substr("hello, world", 7, 4).
" wor"

string:sub_string/3 给一个开始位置、和一个结束位置，就取字串中这二个位置之间的子字串。

> string:sub_string("hello, world", 7, 11).
" worl"

另外，依之前介绍的另一个子字串取法 string:words/2 ，根据一个字元将字串分解为许多字，还有个 string:sub_word/x 可以将所指定第几个字取出。

string:sub_word/2 预设分段符号是空格：

> string:sub_word("hello, world", 2). 
"world"

string:sub_word/3 将字串用指定符号分段，然后取出指定的第几个字：

> string:sub_word("hello, world", 2, $o).
", w"

字串转换

当字串内容含有数字时，可以用 string:to_integer/1 和 string:to_float/1 转换为数字。用法为，每呼叫一次，会将字串从头开始找符合数字类型的子字串做转换，并且留下剩下的部份。

> string:to_integer("1 2 3").  
{1," 2 3"}
> {Int,Rest} = string:to_integer("1 2 3"), string:to_integer(Rest).
{error,no_integer}

string:to_lower/1 和 string:to_upper/1 用来做字串转换小写或大写。

> string:to_upper("hello, world").
"HELLO, WORLD"

练习

综合您对 Erlang 资料型态、列表模组及字串模组的认知，请做以下练习：

分解计算式

写一则函数，输入字串内容为合理的四则运算式，函数会将式子的数字与符号分解：例如， (1024+512)*256 分解为 ["(","1024","+","512",")","*","256"] 。

计算式后序化

["(","1024","+","512",")","*","256"] 是一则中序计算式，可对应为后序式 ["1024","512","+","256","*"] 。写一则函数，输入表达为字串列表的中序式，将中序式转换为后序式并输出。您可以利用列表的基本操作恰好是堆叠的特性。

计算式求值

写一则函数处理像 ["1024","512","+","256","*"] 这样的后序式输入。这个题目要用到堆叠，在遇到数字时放进堆叠，遇到运算符号就从堆叠中取二个数字求解，求解的结果再放入堆叠。如果计算式合理，最后堆叠只存有一个数字，就是解答。

输入/输出模组

Erlang 标准程式库有 io 模组提供输入及输出介面函数，以及 io_lib 模组为输入及输出所需要的字串处理提供相关函数。

常用的函数为 io:format/2 函数，指定格式与一些要处理的资料，就可以按照格式将文字印在标准输出装置。

> io:format("~s, ~s~n", ["hello","world"]).
hello, world
ok

以上例子， hello, world 为印出到标准输出装置的文字，而 ok 讯息是函数的执行结果。

io:format/1 可以印一般的文字讯息：

> io:format("hello, world~n").
hello, world
ok

在 io_lib 模组有一个对应的 io_lib:format/2 函数，是格式处理之后产出一列字元列表。例子如下：

> Result = io_lib:format("~wx~w=~w", [9, 8, 9*8]).
["9",120,"8",61,"72"]

所产出的文字可供做后续处理。

格式符号

文字格式处理需要用许多格式符号，表示嵌入栏位或是特殊文字。以下列表简述几种常用的格式符号：

符号	说明
~~	表示一个 ~ 文字。
~w	表示 Erlang 词汇，可以印出原子及数字类型资料。
~.nB	表示以 n 为基数的 n 进制数字转换。
~c	表示字元。
~s	表示字串。

格式符号都以 ~ 符号后接一个识别字母为主，有时在中间可以放一些调整参数：例如 ~10s 表示在十格空间中印一串文字，文字靠右。