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Ruby的语法和语言特性总结

Ruby是一种解释型、面向对象、动态类型的语言。Ruby采取的策略是在灵活性和运行时安全之间寻找平衡点。随着Rails框架的出现,Ruby也在2006年前后一鸣惊人,同时也指引人们重新找回编程乐趣。尽管从执行速度上说,Ruby谈不上有多高效,但它却能让程序员的编程效率大幅提高。本文将讲述Ruby语言的基础语言特性,包括基本的语法及代码块和类的定义。

1. 基础
在Ruby交互命令行中输入以下命令(>>为命令行提示符,=>为返回值;下文将把=>符号和语句写在一行内表明其返回值):

>> puts 'hello, world'
hello, world
=> nil

>> language = 'Ruby'
=> "Ruby"

>> puts "hello, #{language}"
hello, Ruby
=> nil

以上代码使用puts输出,给变量赋值,并用#{}的语法实现字符串替换。这表明Ruby是解释执行的;变量无需声明即可直接初始化和赋值;每条Ruby代码都会返回某个值;单引号包含的字符串表示它将直接被解释,双引号包含的字符串会引发字符串替换。

1.1 编程模型

Ruby是一门纯面向对象语言,在Ruby中一切皆为对象,可以用“.”调用对象具有的方法,可以通过class和methods方法查看对象的类型及支持的方法,如4.class => Fixnum,7.methods => ["inspect", "%", "<<", "numerator", ...],false.class => FalseClass(方括号表示数组)。

1.2 流程控制

条件判断有正常的块形式,也有简单明了的单行形式;除了常见的if语句外,还有unless语句(等价于if not,但可读性更强)。同理,循环也有正常的块形式和单行形式。注意:除了nil和false之外,其他值都代表true,包括0!

# 块形式
if x == 4
 puts 'This is 4.'
end
# 单行形式
puts 'This is false.' unless true
x = x + 1 while x < 10 # x的结果为10
x = x - 1 until x == 1 # x的结果为1

和其他C家族的语言差不多,Ruby的逻辑运算符and(&&)、or(||)都自带短路功能,若想执行整个表达式,可以用&或|

1.3 鸭子类型

执行4 + 'four'会出现TypeError的错误,说明Ruby是强类型语言,在发生类型冲突时,将得到一个错误。如果把个语句放在def...end函数定义中,则只有在调用函数时才会报错,说明Ruby在运行时而非编译时进行类型检查,这称为动态类型。Ruby的类型系统有自己的潜在优势,即多个类不必继承自相同的父类就能以“多态”的方式使用:

a = ['100', 100.0]
puts a[0].to_i # => 100
puts a[1].to_i # => 100

这就是所谓的“鸭子类型”(duck typing)。数组的第一个元素是String类型,第二个元素是Float类型,但转换成整数用的都是to_i。鸭子类型并不在乎其内在类型是什么,只要一个对象像鸭子一样走路,像鸭子一样嘎嘎叫,那它就是只鸭子。在面向对象设计思想中,有一个重要原则:对接口编码,不对实现编码。如果利用鸭子类型,实现这一原则只需极少的额外工作,就能轻松完成。

1.4 函数

def tell_the_truth
 true
end

每个函数都会返回结果,如果没有显式指定返回值,函数就将退出函数前最后处理的表达式的值返回。函数也是个对象,可以作为参数传给其他函数。

1.5 数组

和Python一样,Ruby的数组也是用中括号来定义,如animals = ['lion', 'tiger', 'bear'];负数下标可以返回倒数的元素,如animals[-1] => "bear";通过指定一个Range对象来获取一个区段的元素,如animals[1..2] => ['tiger', 'bear']。此外,数组元素可以互不相同,多为数组也不过是数组的数组。数组拥有极其丰富的API,可用其实现队列、链表、栈、集合等等。

1.6 散列表

numbers = {2 => 'two', 5 => 'five'}
stuff = {:array => [1, 2, 3], :string => 'Hi, mom!'}
# stuff[:string] => "Hi, mom!"

散列表可以带任何类型的键,上述代码的stuff的键较为特殊——它是一个符号(symbol),前面带有冒号标识符。符号在给事物和概念命名时很好用,例如两个同值字符串在物理上不同,但相同的符号却是同一物理对象,可以通过反复调用'i am string'.object_id和:symbol.object_id来观察。另外,当散列表用作函数最后一个参数时,大括号可有可无,如tell_the_truth :profession => :lawyer。

2. 面向对象
2.1 代码块

代码块是没有名字的函数(匿名函数),可以用作参数传递给函数。代码块只占一行时用大括号包起来,占多行是用do/end包起来,可以带若干个参数。

3.times {puts 'hehe'} # 输出3行hehe
['lion', 'tiger', 'bear'].each {|animal| puts animal} # 输出列表的内容

上面的times实际上是Fixnum类型的方法,要自己实现这样一个方法非常容易:

class Fixnum
 def my_times
  i = self
   while i > 0
    i = i - 1
    yield
  end
 end
end
3.my_times {puts 'hehe'} # 输出3行hehe

这段代码打开一个现有的类,向其中添加一个自定义的my_times方法,并用yield调用代码块。在Ruby中,代码块不仅可用于循环,还可用于延迟执行,即代码块中的行为只有等到调用相关的yield时才会执行。代码块充斥于Ruby的各种库,小到文件的每一行,大到在集合上进行各种复杂操作,都是由代码块来完成的。

2.2 类

调用一个对象的class方法可以查看其类型,调用superclass可以查看这个类型的父类。下图展示了数字的继承链,其中横向箭头表示右边是左边实例化的对象,纵向箭头表示下边继承于上边。Ruby的一切事物都有一个共同的祖先Object。

查看图片

最后通过一个完整的实例——定义一棵树,来看下Ruby的类如何定义和使用,该注意的点都写在注释里面了。

class Tree
 # 定义实例变量,使用attr或attr_accessor关键字,前者定义变量和访问变量的同名getter方法(即只读),后者定义的变量多了同名setter方法(注意这里使用了符号)
 attr_accessor :children, :node_name

 # 构造方法(构造方法必须命名为initialize)
 def initialize(name, children=[])
  @node_name = name
  @children = children
 end

 # 遍历所有节点并执行代码块block,注意参数前加一个&表示将代码块作为闭包传递给函数
 def visit_all(&block)
  visit &block
  children.each {|c| c.visit_all &block}
 end

 # 访问一个节点并执行代码块block
 def visit(&block)
  block.call self
 end
end

ruby_tree = Tree.new("Ruby", 
 [Tree.new("Reia"),
  Tree.new("MacRuby")])
# 访问一个节点
ruby_tree.visit {|node| puts node.node_name}
# 访问整棵树
ruby_tree.visit_all {|node| puts "Node: #{node.node_name}"}

再提一下Ruby的命名规范:

(1)类采用CamelCase命名法
(2)实例变量(一个对象有一个值)前必须加上@,类变量(一个类有一个值)前必须加上@@
(3)变量和方法名全小写用下划线命名法,如underscore_style
(4)常量采用全大写下划线命名法,如ALL_CAPS_STYLE
(5)用于逻辑测试的函数和方法一般要加上问号,如if test?

3. 模块与混入(Mixin)
面向对象语言利用继承,将行为传播到相似的对象上。若一个对象像继承多种行为,一种做法是用多继承,如C++;Java采用接口解决这一问题,Ruby采用模块Mixin。模块是函数和常量的集合,若在类中包含一个模块,那么该模块的行为和常量也会成为类的一部分。

# 定义模块ToFile
module ToFile
 # 获取文件名
 def filename
  "object_name.txt"
 end

 # 创建文件
 def to_f
  File.open(filename, 'w') {|f| f.write(to_s)} # 注意这里to_s在其他地方定义!
 end
end

# 定义用户类
class Person
 include ToFile
 attr_accessor :name

 def initialize(name)
  @name = name
 end

 def to_s
  name
 end
end

Person.new('matz').to_f # 创建了一个文件object_name.txt,里面包含内容matz

上面的代码很好理解,只是有一点要注意:to_s在模块中使用,在类中实现,但定义模块的时候,实现它的类甚至还没有定义。这正是鸭子类型的精髓所在。写入文件的能力,和Person这个类没有一点关系(一个类就应该做属于它自己的事情),但实际开发又需要把Person类写入文件这种额外功能,这时候mixin就可以轻松胜任这种要求。

Ruby有两个重要的mixin:枚举(enumerable)和比较(comparable)。若想让类可枚举,必须实现each方法;若想让类可比较,必须实现<=>(太空船)操作符(比较a,b两操作数,返回1、0或-1)。Ruby的字符串可以这样比较:'begin' <=> 'end => -1。数组有很多好用的方法:

a = [5, 3, 4, 1]
a.sort => [1, 3, 4, 5] # 整数已通过Fixnum类实现太空船操作符,因此可比较可排序
a.any? {|i| i > 4} => true
a.all? {|i| i > 0} => true
a.collect {|i| i * 2} => [10, 6, 8, 2]
a.select {|i| i % 2 == 0} => [4]
a.member?(2) => false
a.inject {|product, i| product * i} => 60 # 第一个参数是代码块上一次执行的结果,若不设初始值,则使用列表第一个值作为初始值

4. 元编程(metaprogramming)
所谓元编程,说白了就是“写能写程序的程序”,这说起来有点拗口,下面会通过实例来讲解。

4.1 开放类

可以重定义Ruby中的任何类,并给它们扩充任何你想要的方法,甚至能让Ruby完全瘫痪,比如重定义Class.new方法。对于开发类来说,这种权衡主要考虑了自由,有这种重定义任何类或对象的自由,就能写出即为通俗易懂的代码,但也要明白,自由越大、能力越强,担负的责任也越重。

class Numeric
 def inches
  self
 end
 def feet
  self * 12.inches
 end
 def miles
  self * 5280.feet
 end
 def back
  self * -1
 end
 def forward
  self
 end
end

上面的代码通过开放Numeric类,就可以像这样采用最简单的语法实现用英寸表示距离:puts 10.miles.back,puts 2.feet.forward。

4.2 使用method_missing

Ruby找不到某个方法时,会调用一个特殊的回调方法method_missing显示诊断信息。通过覆盖这个特殊方法,可以实现一些非常有趣且强大的功能。下面这个示例展示了如何用简洁的语法来实现罗马数字。

class Roman
 # 覆盖self.method_missing方法
 def self.method_missing name, *args
  roman = name.to_s
  roman.gsub!("IV", "IIII")
  roman.gsub!("IX", "VIIII")
  roman.gsub!("XL", "XXXX")
  roman.gsub!("XC", "LXXXX")

  (roman.count("I") +
   roman.count("V") * 5 +
   roman.count("X") * 10 +
   roman.count("L") * 50 +
   roman.count("C") * 100)
 end
end

puts Roman.III # => 3
puts Roman.XII # => 12

我们没有给Roman类定义什么实际的方法,但已经可以Roman类来表示任何罗马数字!其原理就是在没有找到定义方法时,把方法名称和参数传给method_missing执行。首先调用to_s把方法名转为字符串,然后将罗马数字“左减”特殊形式转换为“右加”形式(更容易计数),最后统计各个符号的个数和加权。

当然,如此强有力的工具也有其代价:类调试起来会更加困难,因为Ruby再也不会告诉你找不到某个方法。因此method_missing是一把双刃剑,它确实可以让语法大大简化,但是要以人为地加强程序的健壮性为前提。

4.3 使用模块

Ruby最流行的元编程方式,非模块莫属。下面的代码讲述如何用模块的方式扩展一个可以读取csv文件的类。

module ActsAsCsv

 # 只要某个模块被另一模块include,就会调用被include模块的included方法
 def self.included(base)
  base.extend ClassMethods
 end

 module ClassMethods
  def acts_as_csv
   include InstanceMethods
  end
 end

 module InstanceMethods
  attr_accessor :headers, :csv_contents

  def initialize
   read
  end

  def read
   @csv_contents = []
   filename = self.class.to_s.downcase + '.txt'
   file = File.new(filename)
   @headers = file.gets.chomp.split(', ') # String的chomp方法去除字符串末尾的回车换行符
   file.each do |row|
    @csv_contents << row.chomp.split(', ')
   end
  end
 end

end # end of module ActsAsCsv

class RubyCsv  # 没有继承,可以自由添加
 include ActsAsCsv
 acts_as_csv
end

m = RubyCsv.new
puts m.headers.inspect
puts m.csv_contents.inspect

上述代码中RubyCsv包含了ActsAsCsv,所以ActsAsCsv的included方法中,base就指RubyCsv,ActsAsCsv模块给RubyCsv类添加了唯一一个类方法acts_as_csv,这个方法又打开RubyCsv类,并在类中包含了所有实例方法。如此这般,就写了一个会写程序的程序(通过模块来动态添加类方法)。

一些出色的Ruby框架,如Builder和ActiveRecord,都会为了改善可读性而特别依赖元编程。借助元编程的威力,可以做到尽量缩短正确的Ruby语法与日常用于之间的距离。注意一切都是为了提升代码可读性而服务。

5. 总结
Ruby的纯面向对象可以让你用一致的方式来处理对象。鸭子类型根据对象可提供的方法,而不是对象的继承层次,实现了更切合实际的多态设计。Ruby的模块和开放类,使程序员能把行为紧密结合到语法上,大大超越了类中定义的传统方法和实例变量。
核心优势:
(1)优雅的语法和强大的灵活性
(2)脚本:Ruby是一门梦幻般的脚本语言,可以出色地完成许多任务。Ruby许多语法糖可以大幅提高生产效率,各种各样的库和gem(Ruby包)可以满足绝大多数日常需要。
(3)Web开发:很多人学Ruby最终就是为了用Ruby on Rails框架来进行Web开发。作为一个极其成功的MVC框架,其有着广泛的社区支持及优雅的语法。Twitter最初就是用Ruby实现的,借助Ruby无比强大的生产力,可以快速地开发出一个可推向市场的合格产品。
不足之处:
(1)性能:这是Ruby的最大弱点。随着时代的发展,Ruby的速度确实是越来越快。当然,Ruby是创建目的为了改善程序员的体验,在对性能要求不高的应用场景下,性能换来生产效率的大幅提升无疑是值得的。
(2)并发和面向对象编程:面向对象是建立在状态包装一系列行为的基础上,但通常状态是会改变的。程序中存在并发时,这种编程策略就会引发严重问题。
(3)类型安全:静态类型可提供一整套工具,可以更轻松地构造语法树,也因此能实现各种IDE。对Ruby这种动态类型语言来说,实现IDE就困难得多。

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