Введение в Scala. Case классы и pattern matching

Часть 1. Введение в Scala. Case классы и
pattern matching

Страничка курса: https://maxcom.github.io/scala-course-2020/

План

Орг. вопросы.
Почему Scala? Обзор курса.
Средства разработки.
Обзор синтаксиса.
Case-классы.
Алгебраические типы.
Pattern matching.
Домашнее задание.

Максим Валянский

окончил ВМиК МГУ в 2001 году;

занимаюсь разработкой ПО сколько себя помню;

работаю архитектором в компании
«Ростелеком-Солар».

Лекции

Каждую пятницу в 17:30
(переговорка наша с 17:00).
Две части по ~40минут, перерыв 5 минут.
Видео будет на youtube через 1-2 дня.

Семинары

Каждую среду в 17:30.
Свои ноутбуки!
Заранее установить ПО (расскажу).

Материалы курса и чат

Слайды, примеры программ и другие файлы доступны в репозитарии https://github.com/maxcom/scala-course-2020. Содержимое будет пополняться по ходу курса.

Для обсуждений и вопросов по курсу используем Telegram чат @scalacourse2020 (доступ по ссылке).

Небольшой опрос:

Кто уже пишет на Scala?
Кто работает Scala разработчиком?
Кто принес ноутбук с IDEA + Scala?

Почему Scala?

До Scala в продукте были:
Scheme (Lisp), OCaml, Java, Python, C++ и др.

Хотелось:

Качественную платформу, средства разработки и библиотеки.
Функциональное программирование^*
* хотя каждый разработчик по своему понимает что такое ФП
"Крутые" библиотеки/framework'и
В момент перехода для нас это были Akka и Play Framework

Мы верим что функциональной программирование сделает наш софт качественнее, а разработку – более быстрой и предсказуемой.

Первый Scala компонент у нас появился осенью 2013 года в качестве эксперимента.

Это была распределенная система хранения бинарных данных - "файловое хранилище".

По результатам вывода в production эксперимент посчитали удачным.

Сейчас довольно большая часть продукта написана на Scala, и у нас много планов по развитию.

Scala — мультипарадигмальный язык программирования, спроектированный кратким и типобезопасным для простого и быстрого создания компонентного программного обеспечения, сочетающий возможности функционального и объектно-ориентированного программирования.

Работающий на JVM и хорошо интегрирующийся с существующим Java кодом

обо всём языке говорить долго

рассмотрим базовые возможности языка
и перейдем к практике

Состав курса

Введение в программирование на Scala
Потоки и асинхронное программирование.
Разработка и использование веб-сервисов

Средства разработки

Есть много вариантов, мы будем использовать
Intellij IDEA Community Edition + Scala plugin

https://www.jetbrains.com/idea/download/

Ставим IDEA, запускаем
Добавляем Scala plugin (configure -> plugins)
Создаем новый проект Scala
Выбираем sbt; версии самые новые
(Scala 2.13.1; sbt 1.3.7)

Live demo

Структура проекта (sbt):


build.sbt       -- настройки сборки
project         -- еще настройки сборки
project/target  -- кеш компилятора и вспомогательные файлы
src             -- исходные файлы и ресурсы
src/main        -- основной код
src/main/scala  -- основной код на Scala
src/test        -- исходные файлы и ресурсы тестов
src/test/scala  -- код тестов на Scala
target          -- результат компиляции

(live demo)

Синтаксис Scala: смесь Си + ML.

"Better Java", C, Python, ...

справочник по языку

или google + stackoverflow

Hello, World!


object HelloWorld extends App {
  println("Hello, world!")
}

(live demo)


// класс для JVM
// наследование от App
object HelloWorld extends App {
  println("Hello, world!")
}

(live demo)

Не удается запустить в IDEA?

Отключите Gradle plugin
https://youtrack.jetbrains.com/issue/IDEA-228180

Live demo

Блоки вместо выражений


object HelloWorld extends App {
  println({
    "Hello, world!"
  })
}

(live demo)


object HelloWorld extends App {
  println({
    var str = "Hello, " // переменная
    val add = "world!" // константа

    str += add

    str // "возвращается" последнее значение в блоке
  })
}

(live demo)

Иммутательность "по-умолчанию":

var только если будем менять
изменяемые коллекции и др. только когда нужно

Live demo

объявляем функцию


object HelloWorld extends App {
  println({
    def square(x: Int) = x * x

    square(10)
  })
}

(live demo)

объявление функции:

def square(x: Int) = x * x

функция - это значение:

val f: (Int => Int) = square

(её тип - Function1[Int, Int])

if тоже является выражением:


def abs(x: Int) = {
  if (x >= 0) {
    x
  } else {
    -x
  } // и никакого "return"!
}

Типы выводятся в:

val и var
возвращаемых значениях функций и методов

(кроме рекурсивных)

Рекомендуется указывать типы:

публичных API
var

Live demo

while


var a: Int = 0

while (a<10) {
  a += 1
  println(a)
}  // бывает еще do { ... } while

(live demo)

for - не цикл, но "прикидывается" им:


for (i <- 0 to 10) {
  println(i)
}

подробнее о for на третьем занятии

(live demo)


for (i <- List(1, 2, 3)) {
  println(i)
}

(live demo)

for .. yield - "List comprehension" из Python


println(for (v <- List(1, 2, 3)) yield {
  v * v
})

(live demo)

с условием


for {
  v <- List(1, 2, 3, 4) if v%2 == 0
} yield {
  v * v
}

(live demo)

писать на Scala - не сложно

Перерыв 5 минут

Домашние задания:
независимые или "большой" проект?

решим вместе на второй лекции

Пара (tuple)

Комбинация из двух значений:


val pair: (Int, Int) = (1, 2)
// Tuple2[Int, Int]

деконструкция


val (first, second) = pair

бывают еще "тройки" и более - до 22

Немного о коллекциях

Подробно устройство коллекций рассмотрим на втором занятии.

Seq[T] – общий тип для коллекций, имеющих определенный порядок (списки, массивы, вектора и т.п.)

ArrayBuffer[T] – аналог ArrayList из Java

Vector[T] – неизменяемый аналог ArrayList


val buffer = ArrayBuffer[Int](1, 2, 3)

buffer += 4 // добавление элемента

buffer(1) // получение элемента

// buffer еще и функция
val f: (Int ⇒ Int) = buffer

У стандартных коллекций много полезных функций

Справка на Vector: scaladoc.

Пример: разделение Vector на две части


val v = Vector(1, 2, 3, 4)

val (first, second) = v.splitAt(v.length / 2)

// first == Vector(1,2)
// second == Vector(3,4)

Case-классы

Механизм для создания собственных
типов для данных.


case class Address(`type`: String, value: String) {
  def toStringAddress = s"${`type`}:$value"
}

Это не ООП! Данные не изменяемые, обычно не содержат бизнес-логики.

Собственный тип лучше, чем просто значения:

Address(`type`, value)

против пары

(String, String)

Собственный тип можно заводить и для простых значений, например:

case class UserId(uuid: UUID)

case class GroupId(uuid: UUID)

типы позволяют не путать значения между собой

Что есть в case class?

геттеры для полей
toString
equals и hashcode
создание без "new"
экстрактор
сериализация, product и еще...

Экстракторы

Можно разобрать класс обратно:


val address = Address("email", "abuse@sportloto.ru")

val Address(_, email) = address

Статическая фабрика и экстрактор:


object Address {
  def apply(`type`: String, value: String) = 
    new Address(`type`, value)
  
  def unapply(address: Address): Option[(String, String)] =
    Some((address.`type`, address.value))
}

* объект-компаньон, заменяет static декларации Java * для case классов apply/unapply создаются автоматически

Алгебраические типы

Case классы можно объединить в иерархию


sealed trait Expr

case class Number(value: Int) extends Expr
case class Plus(lhs: Expr, rhs: Expr) extends Expr
case class Minus(lhs: Expr, rhs: Expr) extends Expr

* дальше будет более правильная версия этого примера

Pattern matching

def value(expression: Expr): Int = expression match {
  case Number(value)   ⇒ value
  case Plus(lhs, rhs)  ⇒ value(lhs) + value(rhs)
  case Minus(lhs, rhs) ⇒ value(lhs) - value(rhs)
}				

val result = value(Plus(Number(2), Number(2)))

Pattern matching - альтернатива полиморфизму на методах:

trait Expr {
  def eval: Int
}
case class Number(value: Int) extends Expr {
  override val eval = value
}
case class Plus(lhs: Expr, rhs: Expr) extends Expr {
  override def eval = lhs.eval + rhs.eval
}
case class Minus(lhs: Expr, rhs: Expr) extends Expr {
  override def eval = lhs.eval - rhs.eval
}
Plus(Number(2), Number(2)).eval

Две модели:

Фиксированная "схема" данных, произвольные операции – PM
Фиксированные операции, большое разнообразие объектов – ООП

Сделаем более правильное определение ADT

Проблема 1:


val number: Expr = Number(3)
val expr = Plus(Number(2), Number(2))
val buffer = ArrayBuffer(Number(1), expr)

// не компилируется
buffer += number

потому что тип buffer вот такой:


ArrayBuffer[Product with Serializable with Expr]

а изменяемые коллекции - инвариантные

Проблема 2: Наследование

запрещаем наследование - "final case class"

Более правильная версия примера


sealed trait Expr extends Product with Serializable

final case class Number(value: Int) extends Expr
final case class Plus(lhs: Expr, rhs: Expr) extends Expr
final case class Minus(lhs: Expr, rhs: Expr) extends Expr

Option[T]

Тип с двумя вариантами:

Some[T] - контейнер для одного значения
None - значение отсутствует

более безопасная замена null


val v = Vector(1, 2, 3, 4, 5)

val r: Option[Int] = v.find(x => x > 2)

// r = Some(3)

плохой вариант работы с Option:


if (r.isDefined) {
  println(r.get) // бросает исключение если значения нет
}

несколько правильных вариантов:


// 1
r match {
  case Some(k) ⇒ println(k)
  case None    ⇒ println("None")  
}

// 
// 2
println(r.getOrElse("None"))

еще варианты рассмотрим на 3-м занятии

Try[T]

Обработка исключений в Scala похожа на Java:


try {
  1 / 0
} catch {
  case ex: ArithmeticException ⇒
    println(ex.getMessage)
    1
}

try - тоже выражение, возвращает последнее значение

Иногда мы не хотим обрабатывать ошибки прямо сейчас:

хотим положить в список и потом обработать
передать между потоками
...

Тип Try

Success - содержит значение
Failure - содержит исключение

получим его так:

val result: Try[Int] = Try {
  1 / 0
}


import scala.util.{Random, Try}

// fill - функция с двумя блоками параметров
// fill[A](n: Int)(elem: => A)
val vector = Vector.fill(10) {
  Try {
    1 / Random.nextInt(5)
  }
}

vector.count(x => x.isSuccess)

Могут ли функции возвращать Try?

Да, но это "антипаттерн".

Either[A, B]

Выбор из двух значений:

Right(x) - "правильное" значение
Left(y) - "левое" значение

Домашнее задание

Задание 1: merge sort

Реализуем сортировку слиянием
для Vector[Int]

Описание алгоритма: на wikipedia

Неплохая визуализация
(надо выбрать "merge sort")

Задание 2: top-n sort

Ищем N самых меньших значений, не выполняя полной сортировки. Повторяющиеся значения не теряем.

Один проход по вектору, собираем N результатов по ходу движения.

Используем всё что найдем в стандартной библиотеке.

Решение должно давать те же результаты что и


topn(input: Vector[Int], n: Int) = input.sorted.take(n)

только без полной пересортировки

Задание 3: уникальный merge sort

Модифицируем merge sort так, чтобы он выдавал только уникальные значения.

Дубли убираем в при merge.

Семинар 29-го января

Тема: разбор решений и проблем.
Unit-тесты и scalacheck.

Решение ждем в понедельник, в крайнем случае к семинару.

Простой вариант - m.valyanskiy@solarsecurity.ru.

Присылайте только исходники; код должен работать!

"Сложный" вариант - используем gitlab.com:

Зарегистрируйтесь на gitlab.com (это бесплатно)
Заводите приватный репозиторий (свой под каждое задание)
Дайте доступ @maximvalyanskiy и @nsolely
Киньте ссылку на gitlab мне на почту

Напоминаю:

Страничка курса:
https://maxcom.github.io/scala-course-2020/
Семинар в среду в 17:30
Подключайтесь к чату в Telegram @scalacourse2020 (доступ по ссылке).

Пара слов о Судоку^*

дополнительная часть, если успеем

“Always code as if the guy who ends up maintaining your code will be a violent psychopath who knows where you live”

― John Woods

Всегда думайте о том, что
будет дальше с вашим кодом.

Две проблемы:

Сложный и запутанный код
Лишние абстракции

KISS («Keep it simple, stupid»)

Большинство систем работают лучше всего, если они остаются простыми, а не усложняются.

Видео: Simple Made Easy 2012 - Rich Hickey

Напоминаю:

Страничка курса:
https://maxcom.github.io/scala-course-2020/
Семинар в среду в 17:30
Подключайтесь к чату в Telegram @scalacourse2020 (доступ по ссылке).

Часть 1. Введение в Scala. Case классы и pattern matching

План

Материалы курса и чат

Почему Scala?

Состав курса

Средства разработки

Live demo

Hello, World!

Live demo

Live demo

Live demo

Перерыв 5 минут

Пара (tuple)

Немного о коллекциях

Case-классы

Экстракторы

Алгебраические типы

Pattern matching

Более правильная версия примера

Option[T]

Try[T]

Either[A, B]

Домашнее задание

Задание 1: merge sort

Задание 2: top-n sort

Задание 3: уникальный merge sort

Пара слов о Судоку*

KISS («Keep it simple, stupid»)

Часть 1. Введение в Scala. Case классы и
pattern matching

Пара слов о Судоку^*