Haskell入門から学ぶ~IO型～

Haskellのド素人が入門書を手に独学で学んだことを忘れないために綴っていくシリーズ。

Haskell入門 第4章から抜粋

入門Haskellプログラミングも参考にしてます。

IO型とは（まとめ）

1. 型クラスMonadのインスタンスの1種
2. 引数を持たない関数を扱う
3. 戻り値を持たない関数を扱う
4. 参照透過でない関数を扱う

IO型とは（詳細）

()は空のタプルとみることができるのでNothingと同じと考えられる。

型クラスMonadの定義

メソッド	定義	説明
return	a -> m a	汎用型aをMonad aに変換する
(>>=)	m a -> (a -> m b) -> m b	Monad aに関数を適用後Monad bを返却

Prelude> :i Monad
class Applicative m => Monad (m :: * -> *) where
  (>>=) :: m a -> (a -> m b) -> m b
  (>>) :: m a -> m b -> m b
  return :: a -> m a
  fail :: String -> m a
  {-# MINIMAL (>>=) #-}
        -- Defined in ‘GHC.Base’
instance Monad (Either e) -- Defined in ‘Data.Either’
instance Monad [] -- Defined in ‘GHC.Base’
instance Monad Maybe -- Defined in ‘GHC.Base’
instance Monad IO -- Defined in ‘GHC.Base’
instance Monad ((->) r) -- Defined in ‘GHC.Base’
instance Monoid a => Monad ((,) a) -- Defined in ‘GHC.Base’

代表的なIOインスタンスの関数

Prelude> -- putStrLnは文字列を受け取るが値を返さない
Prelude> :t putStrLn
putStrLn :: String -> IO ()
Prelude> -- getLineは引数をとらずにIO String型を返す
Prelude> :t getLine
getLine :: IO String
Prelude> -- randomRIOはランダム値（参照透過ではない値）を返す
Prelude> import System.Random
Prelude System.Random> :t randomRIO
randomRIO :: Random a => (a, a) -> IO a

IOアクション

getLineとputStrLnを使って簡単なプログラムを実装。

メソッド	定義	説明
getLine	IO String	IO String型を返す
putStrLn	String -> IO ()	文字列を受け取るが値を返さない

Prelude> :t getLine >>= putStrLn
getLine >>= putStrLn :: IO ()
Prelude> let echo = getLine >>= putStrLn :: IO ()
Prelude> echo
HogeHoge
HogeHoge

解説

1. getLineはIO Stringを返す
2. >>=はIOアクションを連結する
3. putStrLnはIO Stringを引数にとる

>>=演算子でIOアクションを複数連結

二つ以上のIOアクションを連結する場合はラムダ関数を使えば実現できる。

ラムダ関数を使った実装例

Prelude> -- ラムダ関数を使った実装例（ウォーミングアップ）
Prelude> getLine >>= (\s -> putStrLn s)
hogehoge
hogehoge
Prelude> -- ラムダ関数を使った実装例（実践）
Prelude> let joinLine = getLine >>= (\s1 -> getLine >>= (\s2 -> putStrLn $ "Input1 : " ++ s1 ++ ", Input2 : " ++ s2))
Prelude> joinLine
ABCDE
12345
Input1 : ABCDE, Input2 : 12345

>>= と returnを使って実装

Prelude> let joinLines = getLine >>= \s1 -> getLine >>= \s2 -> (return $ "Input1 : " ++ s1 ++ ", Input2 : " ++ s2) >>= n
Prelude> joinLines
Dog
Cat
Input1 : Dog, Input2 : Cat

>>=・returnからdo記法へ

上記サンプルではgetLineを2回呼び出した後、putStrLnを呼び出している。
上記サンプルをレイアウト記法を使って書き直してみる。

Prelude> :{
Prelude| main :: IO ()
Prelude| main =
Prelude|   getLine >>= \x ->  -- 戻り値1をラムダ関数で受け取る
Prelude|   getLine >>= \y ->  -- 戻り値2をラムダ関数で受け取る
Prelude|   putStrLn ("Input1 : " ++ x) >>  -- IO x::Stringを受け取る
Prelude|   putStrLn ("Input2 : " ++ y)     -- IO y::Stringを受け取る
Prelude| :}
Prelude>
Prelude> main
Hoge
Hoge
Input1 : Hoge
Input2 : Hoge

上記サンプルをdo記法に書き換える

Prelude> :{
Prelude| main :: IO ()
Prelude| main = do
Prelude|   x <- getLine -- IO StringからStringを取得する
Prelude|   y <- getLine -- IO StringからStringを取得する
Prelude|   putStrLn ("Input1 : " ++ x) -- Stringを受け取る
Prelude|   putStrLn ("Input2 : " ++ y) -- Stringを受け取る
Prelude| :}
Prelude> main
Hoge
Fuga
Input1 : Hoge
Input2 : Fuga

参照透過でない関数の実装

randomRIOは最小値と最大値を引数にランダム値を生成する関数。
実行するたびに違う値が返却されるので参照透過ではない。

Prelude System.Random> :{
Prelude System.Random| min :: Int
Prelude System.Random| min = 1
Prelude System.Random| max :: Int
Prelude System.Random| max = 6
Prelude System.Random| main :: IO ()
Prelude System.Random| main = do
Prelude System.Random|  dice <- randomRIO (min, max)
Prelude System.Random|  putStrLn(show dice)
Prelude System.Random| :}
Prelude System.Random> main
4
Prelude System.Random> main
6

do記法

main関数（「入門Haskellプログラミング」曰く関数ではないとのことだけど）ではよく、do記法が用いられているが、do記法の何が嬉しいのか。

記号	概要
do表記	IOアクションを組み合わせることができる便利な記法
a <- IO a	IO aからa型だけを取り出すことができる
let a = b	通常の型を扱う

Prelude> :{
Prelude| helloPerson :: String -> String
Prelude| helloPerson name = "Hello " ++ name ++ "!"
Prelude|
Prelude| hello :: IO ()
Prelude| hello = do
Prelude|     putStrLn "Hello! What is your name?"
Prelude|     -- getLine <-を使って値をbind
Prelude|     -- nameへはIO StringではなくString型が入る
Prelude|     name <- getLine
Prelude|     -- =を使って値をbind
Prelude|     let statement = helloPerson name
Prelude|     putStrLn statement
Prelude| :}
Prelude>
Prelude> hello
Hello! What is your name?
Jonasan
Hello Jonasan!

コマンドライン引数

メソッド	定義	説明
getArgs	getArgs :: IO [String]	IO [String]を受け取る

環境変数

メソッド	定義	説明
getEnv x	getEnv :: String -> IO String	指定された環境変数を取得しIO Stringへ詰めこむ

Prelude System.Environment> import System.Environment
Prelude System.Environment> :{
Prelude System.Environment| main :: IO ()
Prelude System.Environment| main = do
Prelude System.Environment|   path <- getEnv "PATH"
Prelude System.Environment|   putStrLn path
Prelude System.Environment| :}
Prelude System.Environment> main
C:\sr\global-project\. -- 以下省略

標準入出力関数

メソッド	定義	説明
putChar	putChar :: Char -> IO ()	標準出力へ1文字出力
putStr	putStr:: String-> IO ()	標準出力へ文字列出力
putStrLn	putStrLn:: String-> IO ()	標準出力へ文字列を改行して出力
getChar	getChar:: IO Char	標準入力から1文字取得
getString	getString:: IO String	標準入力から文字列取得

Prelude> :{
Prelude| main :: IO ()
Prelude| main = do
Prelude|   x <- getChar
Prelude|   print x
Prelude|   x <- getChar
Prelude|   print x
Prelude|   x <- getChar
Prelude|   print x
Prelude|   xs <- getLine
Prelude|   putStrLn xs
Prelude| :}
Prelude> main
get char
'g'
'e'
't'
 char

ファイル操作

メソッド	定義	説明
writeFile	writeFile :: FilePath -> String -> IO ()	FilePathにStringを書き込む
readFile	readFile :: FilePath -> IO String	FilePathから読み込む
appendFile	appendFile :: FilePath -> String -> IO ()	FilePathにStringを追記する
FilePath	type FilePath = String	GHC.IOで定義されてるStringのシノニム

Prelude> writeFile "sample.txt" "test write" -- smple.txtファイルに書き込む
Prelude> readFile "sample.txt"
"write.\n"
Prelude> appendFile "sample.txt" "append" -- 追記
Prelude> readFile "sample.txt"
"write.\nappend"

標準入出力の遅延IO

メソッド	定義	説明
getContents	getContents :: IO String	標準入力から終端文字があらわれるまで取得を受け付ける

getContentsは標準入力から終端文字があらわれるまで入力を受け続けるが、標準入力アクションを受け取るたびに逐次入力を受け取って処理を実行する。

sample.hs

import Data.Char

main::IO () -- control Cで中断
main = do
  xs <- getContents
  putStrLn $ map toUpper xs

実行例

C:\Users\kirakira\Documents\haskell\Example>stack runghc sample.hs
haskell send message test
-- 入力アクションを受け取ったので処理を実行
HASKELL SEND MESSAGE TEST
send message
-- 再び入力アクションを受け取ったので処理を実行
SEND MESSAGE