函数式控制流与模式匹配

在命令式语言中，流程控制主要依赖条件跳转与可变状态循环（如 for、while）。而在纯函数式语言中，控制流通过模式匹配（Pattern Matching）、守卫（Guards）与高阶函数组合以声明式的方式表达。

模式匹配

模式匹配不仅能检查数据是否符合特定形状，还能在匹配成功的同时完成数据解构并将内部字段绑定到局部变量。

字面量与通配符模式

greetByCode :: Int -> String
greetByCode 200 = "成功"
greetByCode 404 = "资源未找到"
greetByCode 500 = "服务器内部错误"
greetByCode _   = "其他状态码"   -- 通配符 '_' 匹配任何其他值

复合结构解构：元组与列表

-- 解构元组
distanceFromOrigin :: (Double, Double) -> Double
distanceFromOrigin (x, y) = sqrt (x^2 + y^2)

-- 解构列表前两项并保留尾部
sumHeadTwo :: Num a => [a] -> a
sumHeadTwo (x1:x2:_) = x1 + x2
sumHeadTwo [x]       = x
sumHeadTwo []        = 0

As-模式（@）

当既需要将数据结构解构为其组成部分，又需要保留对原始整体数据的引用时，使用 @ 语法：

inspectHeadAndAll :: Show a => [a] -> String
inspectHeadAndAll all@(x:_) = "首元素是 " ++ show x ++ "，全列表为: " ++ show all
inspectHeadAndAll []        = "空列表"

Record 记录模式解构

当数据类型使用记录语法声明时（记录语法会在代数数据类型一章详细介绍），我们可以在模式匹配中通过字段名显式解构，不受字段定义顺序的影响：

data Employee = Employee
  { empId     :: Int
  , empName   :: String
  , empSalary :: Double
  } deriving (Show)

isHighEarner :: Employee -> Bool
isHighEarner Employee { empSalary = s } = s > 100000

备注

惰性模式：模式匹配会把入参求值到能看出构造器为止，strictPair (x, y) = ... 遇到 undefined 会立刻崩溃。在模式前加波浪号写成 lazyPair ~(x, y) = ...，匹配就被推迟到真正用到 x 或 y 的时候。日常代码几乎用不到它，典型场景只有两个：函数必须惰性地返回一个元组（标准库的 unzip、splitAt），以及用自引用定义构造循环结构。求值到哪一层、什么叫弱头范式，见惰性求值一章。

编译期穷尽性检查（Exhaustiveness Checking）

编写模式匹配时，如果漏掉了某些分支，程序在遇到未覆盖的输入时会在运行期崩溃。

GHC 会做穷尽性检查。建议始终开启 -Wincomplete-patterns 编译选项（或使用 -Wall）：

{-# OPTIONS_GHC -Wincomplete-patterns #-}

-- 如果遗漏了空列表分支，GHC 在编译期就会给出警告：
headUnsafe :: [a] -> a
headUnsafe (x:_) = x

编译器会提示：

Pattern match(es) are non-exhaustive
In an equation for 'headUnsafe': Patterns of type '[a]' not matched: []

实际项目中通常会把这类警告当作错误处理，以保证函数是全函数（Total Function）。这正是基础语法一章警告 head、tail 危险的根源：它们对空列表没有分支。有了模式匹配，安全版本可以直接写成 safeHead (x : _) = Just x 加 safeHead [] = Nothing，把“可能没有结果”放进返回类型里，这是错误处理一章的主题。

条件分支：if-then-else 与 case-of

if 表达式

Haskell 的 if-then-else 是一个必须返回值的表达式，而不是命令式语句：

  1. 必须始终包含完整的 else 分支。

  2. then 分支与 else 分支的表达式返回值类型必须相同。

absVal :: (Num a, Ord a) => a -> a
absVal n = if n >= 0 then n else -n

case-of 表达式

函数参数的模式匹配在底层最终都会被编译器脱糖为 case ... of 表达式。它可以在任何需要表达式的位置嵌套：

describeNumber :: Int -> String
describeNumber n = "该数字是: " ++ case n of
  0 -> "零"
  1 -> "壹"
  _ -> "其他数字"

守卫（Guards）

模式匹配擅长检查数据的“结构”，而守卫擅长检查“布尔条件”：

rateInterest :: Double -> Double
rateInterest balance
  | balance <= 0     = 0.0
  | balance < 10000  = 0.015
  | balance < 100000 = 0.025
  | otherwise        = 0.035

otherwise 在标准库中就是布尔常量 otherwise = True，作为所有未命中条件的默认分支。

四种写法的分工

到这里已经有了方程式模式匹配、case、if 和守卫四种分支手段，它们不是互相替代的关系，各有最自然的位置。用同一个任务来看：把 HTTP 状态码变成一句提示。

-- 模式匹配处理少数具体值，守卫处理范围，两者可以叠在同一个函数里
describe :: Int -> String
describe 200 = "成功"
describe 404 = "资源未找到"
describe code
  | code >= 500 && code < 600 = "服务器错误 " ++ show code
  | code >= 400               = "客户端错误 " ++ show code
  | otherwise                 = "其他状态码 " ++ show code

-- case 匹配的是中间结果，而不是函数的入参
firstFailure :: [Int] -> String
firstFailure codes = case filter (>= 400) codes of
  []      -> "全部成功"
  (c : _) -> "首个失败: " ++ describe c

-- if 只在表达式内部做一次布尔取舍
retryHint :: Int -> String
retryHint code = describe code ++ (if code >= 500 then "，可以重试" else "，不要重试")

ghci> describe 503
"服务器错误 503"
ghci> firstFailure [200, 200, 404, 500]
"首个失败: 资源未找到"
ghci> retryHint 403
"客户端错误 403，不要重试"

  • 方程式模式匹配：按构造器或少数几个字面量分派，同时把字段解构出来。它只能判断“长什么样”，表达不了范围。

  • 守卫：按布尔条件或数值范围分派。

  • 模式加守卫：先按结构拆开，再按条件细分。这是最常见的组合，下一章的 factorial 就是先匹配 0，再用守卫检查 n > 0。

  • case：要匹配的不是入参而是某个中间结果，或者匹配出现在一个更大表达式的中间。方程式写法只能匹配参数，case 可以匹配任何表达式。

  • if：只有一个布尔条件，而且嵌在表达式内部。一旦条件多于一个，或者需要 else if 链，换成守卫。

函数操作符：$ 与 .

函数应用符：$

常规函数调用的优先级最高（优先级 10），并且为左结合。而操作符 $ 的优先级最低（优先级 0），为右结合：

($) :: (a -> b) -> a -> b
f $ x = f x

它的主要用途是减少括号：

-- 括号嵌套：
print (sum (filter even (map (* 2) [1..10])))

-- 使用 $ 简化：
print $ sum $ filter even $ map (* 2) [1..10]

函数组合符：. 与无点风格（Pointfree）

数学中的函数复合 (f ∘ g)(x) = f(g(x)) 在 Haskell 中用点号 . 表达：

(.) :: (b -> c) -> (a -> b) -> a -> c
(f . g) x = f (g x)

我们可以将多个处理步骤拼接为单一管道，无需显式声明入参变量名，这就是无点风格（Pointfree Style）：

-- 普通风格：
countEvenSquares :: [Int] -> Int
countEvenSquares xs = length (filter even (map (^2) xs))

-- 无点风格：
countEvenSquares' :: [Int] -> Int
countEvenSquares' = length . filter even . map (^2)

无点风格使代码聚焦于“数据流经的变换管道”，而不是临时变量的逐层传递。从 countEvenSquares xs = ... 到 countEvenSquares' = ...，两边同时去掉的那个 xs 就是第一章 addOne = add 1 的消参数写法，. 只是让消掉参数后的右侧仍然可读。

小结

  • 模式匹配同时完成结构检查、解构与分支分发。

  • -Wincomplete-patterns 让编译器检查模式是否穷尽，穷尽的模式匹配就是全函数。

  • 模式匹配管结构，守卫管条件，两者常叠用；case 匹配中间结果，if 只做单个布尔取舍。

  • $ 用于减少括号，. 用于组合函数并写出无点风格。

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