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Erlang

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Erlang
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Erlang/ˈɜːrlæŋ/)是一種通用的并发函数式程序设计语言。Erlang也可以指Erlang/OTP的通稱,開源電信平台(OTP)是Erlang的常用執行環境及一系列標準元件。

事实速览 编程范型, 設計者 ...
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LYME is Erlang-based

Erlang 執行環境為專有以下要求的系統設計:

Erlang是運作於虛擬機解释型语言,但是現在也包含有烏普薩拉大學高性能Erlang計劃(HiPE)[3]開發的原生程式碼編譯器,自R11B-4版本開始,Erlang也支持脚本方式执行。在編程範型上,Erlang屬於多重典範程式語言,涵蓋函數式并行分布式。循序執行的Erlang是一个及早求值, 單次賦值动态类型函數式程式語言

它由喬·阿姆斯特朗(Joe Armstrong)在瑞典電信設備製造商愛立信所轄的電腦科學研究室開發,目的是創造一種可以應付大規模并發活動的程序设计语言執行環境。Erlang於1987年釋出正式版本,最早是愛立信擁有的私有軟體,經過十年的發展,於1998年發表開放源碼版本。

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開發及演變歷史

Erlang得名於丹麥數學家統計學家Agner Krarup Erlang,同時Erlang還可以表示Ericsson Language。Erlang語言由瑞典愛立信電信公司的喬·阿姆斯特朗開始設計,開始於公元一九八零年代。最初是以Prolog程序设计语言為基礎,幾度改版之後,改成以Joe's Abstract Machine為基礎的獨立語言執行環境。雖然語言風格仍與Prolog相近,不過因Erlang語言設計的走向,Erlang成為具备函數語言特色的程序设计语言[4]

發行版本

1998年起,Erlang發布開放源碼版本,稱為開源電信平台開源電信平台採用修改過的Mozilla公共許可證協議發放,同時爱立信仍然提供商業版本的技術支持。目前,Erlang最大的商業用户是爱立信,其他知名用户有北電網路亚马逊以及T-Mobile[5]

語言特色

  • 并行程序设计 在語言中,可以藉由spawn/*函數,將特定的函數設定為獨立的进程,之後可以做跨进程通訊。
  • 函數式程序設計 由於Erlang早期以Prolog開發製成,受語言特性影響,即成為函數式語言。
  • 單次賦值 每個变量只能跟数据綁一次,所以,不像一般程序设计语言的变量可以多次指定為不同的值。單次賦值的好處是狀態單純,使程序容易閱讀。
  • 及早求值或嚴格求值 Erlang基本求值策略為電腦語言中及早求值之特性。而且,可以藉由明確使用無參數的λ表达式,將特定函數設定為惰性求值策略。
  • 动态数据类型與類型系統 有編譯時期的类型檢查系統支持。
  • 快速失败 在執行時期發生的錯誤,會由錯誤位置送出訊息,發生錯誤的进程立刻停止执行。藉由进程通讯机制,可以自動傳遞錯誤、捕捉錯誤,使其他进程能夠幫助處理錯誤。
  • 代码熱更新 由於Erlang是函數語言,可以撰寫特定的程序结构,製作即時更換新版函數的機制。
  • 腳本語言 Erlang實作提供了腳本執行方式。

語言構成

Erlang程序結構以函數定義為主。函數是一組將輸入分別對應到輸出的規則,對應方式遵守數學函數的慣例。此外,Erlang語言由幾項構句要素所組成,包括文字(或稱原子)、數字、列表、值組、字元、字串、二進位資料、模組、與特定用途的關鍵字如fun ... end, if ... end, case ... of ... end, spawn, !, receive ... end等等。以下段落分別列示並舉例說明Erlang程式的基本構成部份,涵蓋資料格式表達式格式內建函數

資料格式

更多信息 類型, 意義與構詞規則 ...
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表達式格式

更多信息 類型, 構詞規則 ...
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內建函數

開源電信平台包括一個Erlang直譯器、一個Erlang編譯器、程序節點通訊協定、CORBA、一個分散式資料庫Mnesia页面存档备份,存于互联网档案馆)、以及許多程式庫[6]內建函數涵蓋了各種方面的功能,涵蓋了系統命令、資料存取、格式轉換、網路通訊、圖形介面、 ... 等。以下列表介紹幾項常用的Erlang內建函數。(參閱文件页面存档备份,存于互联网档案馆)或索引页面存档备份,存于互联网档案馆))

更多信息 模組:函數名稱 / 參數數目, 用途 ...
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Hello World 程式

這是輸出 Hello World 的一種方式:[7]

-module(hello).
-export([hello_world/0]).

hello_world() -> io:fwrite("hello, world\n").

若要編譯這個程式,將它存為一個名為 hello.erl 的文字檔,然後從 Erlang終端 進行編譯。不要忘了在每個命令的最後加上一個句號(.)。例如:

Erlang (BEAM) emulator version 4.9.1 [source]
Eshell V4.9.1  (abort with ^G)
1> c(hello).
{ok,hello}

(在 Unix系統 上,你可以通過在命令列裡輸入 "erl" 來進入 Erlang終端。在 Windows系統 上,你需要打開一個 命令提示符 視窗,然後輸入 "werl"來進入 Erlang終端,或者在程式功能表中找到 Erlang 的圖示。)從 Erlang終端 上運行這個程式:

2> hello:hello_world().
hello, world
ok
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函數式程式設計

Erlang支持函數式程式設計的一般特色,特色包括單次賦值遞迴定義、λ演算高階函數等等。Erlang函数大致寫法如下,以整數階乘模組为例:

-module(fact).
-export([fac/1]).

fac(N) when N > 1 ->
    N * fac(N-1);
fac(1) ->
    1.

以下是快速排序演算法的Erlang實作:

%% quicksort:qsort(List)
%% Sort a list of items
-module(quicksort).
-export([qsort/1]).

qsort([]) -> [];
qsort([Pivot|Rest]) ->
    qsort([ X || X <- Rest, X =< Pivot]) ++ [Pivot] ++ qsort([ Y || Y <- Rest, Y > Pivot]).

以下是費氏數列求解函數:

-module(example).
-export([fibo/1]).

fibo(N) when N > 1 ->
    fibo(N-1) + fibo(N-2);
fibo(1) ->
    1;
fibo(0) ->
    0.
> c(example).
{ok,example}
> lists:map(fun(X)->example:fibo(X) end, lists:seq(1,10)).
[1,1,2,3,5,8,13,21,34,55]

函數式程式設計難免以遞迴計算,而消耗了大量遞迴堆疊空間。為了克服這個問題,一般使用累積參數尾端遞迴等技巧節省遞迴數目:如以下例子。

-module(test).
-export([fibo_accu/1]).

fibo_accu(N) ->
    fibo(N, 0, 1).
fibo(N, C1, C2) when N > 2 ->
    fibo(N-1, C2, C1+C2);
fibo(0, _, _) ->
    0;
fibo(1, _, _) ->
    1;
fibo(_, C1, C2) ->
    C1+C2.
> c(example).
{ok,test}
> lists:map(fun(X)->test:fibo_accu(X) end, lists:seq(1,10)).
[1,1,2,3,5,8,13,21,34,55]

函數式程式設計容許使用高階函數求解。以下例子說明Erlang實做複合函數。 ( f o g ,唸作 f after g 。)

'After'(F, G) ->
     fun(X) ->
         erlang:apply(F, [erlang:apply(G, [X])])
     end.
  • 請注意after是Erlang關鍵字。因此,以上函數命名為′After′避開關鍵字。
> (example:'After'(fun test:show/1, fun test:parse/1))(3.1416).
Real number 3.141600 is met.
ok

平行式程式設計

Erlang最主要的特色是平行導向程式設計,強調多程序平行運作,並且以訊息對彼此溝通[8]。Erlang提供了spawn函數和 !receive ... end 等關鍵字,可以描述在Erlang/開源電信平台中的如何啟動一些程序、並且如何讓程序傳遞訊息。此外,平行導向程式設計的精神還強調程序的容錯處理,藉由程序發生錯誤時的訊息傳遞,使其他程序可以得知錯誤的發生,使方便於後續處理。以下分別介紹平行導向程式設計的一般程式撰寫方式,以及錯誤處理的使用方式。

平行導向程式設計

基本的平行程式示範如下:

  • 以下啟動一個程序。
% create process and call the function web:start_server(Port, MaxConnections)
ServerProcess = spawn(web, start_server, [Port, MaxConnections]),
  • 以下是在任何程式中,對先前起動的程序送一則訊息 {pause, 10} 。
% send the {pause, 10} message (a tuple with an atom "pause" and a number "10")
% to ServerProcess (asynchronously)
ServerProcess ! {pause, 10},

  • 以下是一段接收訊息的程式。每個程序都擁有一份郵箱,可佇留收到的訊息; receive ... end 程式片斷是從程序的郵箱中取出最早佇留的訊息。
% receive messages sent to this process
receive       
        a_message -> do_something; 
        {data, DataContent} -> handle(DataContent);
        {hello, Text} -> io:format("Got hello message: ~s", [Text]);
        {goodbye, Text} -> io:format("Got goodbye message: ~s", [Text])
end.

收到 a_message 結果就是 do_something ;收到 {data, DataContent} 結果會呼叫 handle(DataContent) ;
收到 {hello, Text} 結果教是印出 "Got hello message: ..." ,收到 {goodbye, Text} 結果是印出
"Got goodbye message: ..." 。

以下程式,示範產生一組環狀傳遞訊息的程序。

ring_proc(Funs) ->
    Ns = lists:seq(1, length(Funs)),
    [P|Pids] = [ spawn(?MODULE, lists:nth(Nth,Funs),[]) || Nth <- Ns ],
    [ Pid ! ToPid || {Pid, ToPid} <- lists:zip([P|Pids], Pids++[P]) ]. 

func() ->
    receive
	ToPid ->
	    func_msg_(ToPid)
    end.

func_msg_(ToPid) ->
    receive
	stop ->
	    io:format("Stop process ~w~n", [self()]),
	    ToPid ! stop;
	Message ->
	    io:format("~w: transmit message to ~w~n", [self(), ToPid]),
	    ToPid ! Message,
	    func_msg_(ToPid)
    end.

接收stop訊息,就對下一個程序送stop訊息;接收到其他任何訊息,就對下一個程序送同樣的訊息。

如果傳送任何其他訊息,就會讓所有的程序不斷對下一個程序傳遞訊息。而以下是測試傳送stop訊息的執行結果。

> [P|_] = example:ring_proc([func,func,func]).
[<0.233.0>,<0.234.0>,<0.232.0>]
> P ! stop.
Stop process <0.233.0>
stop
Stop process <0.234.0>
> Stop process <0.232.0>
>
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容錯處理

Erlang容錯處理機制,由二個步驟實現:一是將二個程序連接起來,二者之間存在一道通訊管道,可提供錯誤訊息的傳遞 ── 在此使用link/1函數;二是將程序回報錯誤的機制打開 ── 在此使用process_flag/2函數。

  • 使用link(Pid)讓程序連接到另一個程序。
-module(example).
-compile(export_all).
hello() ->
    Pid = spawn(?MODULE, world, []),
    link(Pid),
    ... .

執行時,以 Pid = spawn(example, hello, []) 啟動程序,此程序將啟動另一個程序,並且與它連接。
但以上程式還不會有錯誤訊息的傳遞機制,因為回報錯誤的開關還沒有打開。
  • 開啟程序回報錯誤機制。
以上 hello/0 函數前段使用process_flag/2函數,將trap_exit標籤打開,即可開啟程序回報錯誤機制。
hello() ->
    process_flag(trap_exit, true),
    Pid = spawn(?MODULE, world, []),
    link(Pid),
    ... .

於是,當程序結束時,會送出{'EXIT', From, Reason}資料。程序正常結束時,Reasonnormal

另外,spawn函數另外有程序連接版本,spawn_link函數,同時啟動並連接到新程序。

分散式程式設計

Erlang提供分散式機制,能在另一台電腦啟動一些Erlang程序,並由本機電腦對其他電腦的Erlang程序傳遞訊息。

  • 當啟動Erlang環境時,加上一個網路節點名稱,就進入分散式Erlang模式。節點可以使用埠號與其他節點通訊。
$> erl -name node_1
  • 在同一個網域中,網路節點名稱可以使用短名。
$> erl -sname node_1

啟動新的網路節點時,Erlang使用epmd (Erlang埠號對應管理系統) 指派埠號,提供節點使用。

當知道一個網路節點名稱時,可以在該節點產生新程序。

  • 在指定節點RemoteNode啟動一個程序,spawn啟動參數依序為節點名稱、模組名稱、函數名稱、函數的參數列。
% create a remote process and call the function web:start_server(Port, MaxConnections)
% on machine RemoteNode
RemoteProcess = spawn(RemoteNode, web, start_server, [Port, MaxConnections]),

在遠端節點產生新程序之後,可以使用平行式程式設計的技巧,與遠端程序通訊。

Erlang / 開源電信平台提供的程式庫,於分散式程式設計可以使用net_admnet_kernelslave、... 等模組,做網路通訊[9]

其他程式設計典範

惰性求值

Erlang程式員可以使用惰性求值。不過,必須使用λ演算式,才能做到惰性求值。

以下是惰性求值的一例:假設有個剖析器程式如下,由於及早求值特徵,本程式將不會求解。
expr() -> alt(then(factor(), then(literal($+), factor())),
              then(factor(), then(literal($-), factor()))).
factor() -> alt(then(term(), then(literal($*), term())),
                then(term(), then(literal($/), term()))).
term() -> alt(number(),
              xthen(literal($(), thenx(expr(), literal($))))).
此處使用λ演算式及適當使用函數名稱表示,就能進行求值。示例如下。
expr() ->
    fun () ->
          alt(then(fun factor/0, then(literal($+), fun factor/0)),
              then(fun factor/0, then(literal($-), fun factor/0)))
    end.
factor() ->
    fun () ->
            alt(then(fun term/0, then(literal($*), fun term/0)),
                then(fun term/0, then(literal($/), fun term/0)))
    end.
term() ->
    fun () ->
          alt(number(),
              xthen(literal($(), thenx(expr(), literal($)))))
    end.

應用


社区

參考資料

延伸阅读

外部連結

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