输入输出（I/O）与副作用模型¶

1. IO 值是动作的描述¶

类型为 IO a 的值，不是已经执行完的结果，也不是正在执行的过程，而是一份不可变的”动作描述”。

• 写下 putStrLn "Hello World" 时，它的类型是 IO ()。

• 此时屏幕上什么都不会打印。这个表达式只是构造了一个值，描述”向标准输出写入这段文本”这个动作。

构造这个描述的过程是纯的：在代码里写 100 次 putStrLn "Hello"，得到的是 100 个相同的值。

2. 动作由运行时执行¶

那这些动作什么时候真正变成屏幕上的字符或网络上的数据包？

Haskell 程序的入口固定为：

main :: IO ()

程序员写的全部代码，本质上是在组装一个大的动作描述，也就是 main。 程序启动后，链接进可执行文件里的 GHC 运行时系统（Runtime System，RTS） 接管 main 这个动作，按描述依次执行系统调用。你写的代码从未直接接触硬件，它只是在描述要做什么。

下图把”描述”和”执行”两个阶段分开画出。左边是纯代码，只负责把小动作组合成 main；右边是链接进可执行文件的运行时，负责真正执行：

        graph LR
  subgraph pure["纯代码：构造描述"]
    A1["putStr #quot;请输入姓名: #quot;<br/>IO ()"] --> M["main :: IO ()<br/>由 #gt;#gt;= 串起来的动作描述"]
    A2["getLine<br/>IO String"] --> M
    A3["putStrLn (#quot;你好, #quot; ++ name)<br/>IO ()"] --> M
  end
  subgraph rts["GHC RTS：执行描述"]
    R1["取出下一个动作"] --> R2["发起系统调用<br/>write / read"]
    R2 --> R3["把结果交给<br/>后续动作"]
    R3 --> R1
  end
  M -- "程序启动时交给 RTS" --> R1
    

在左边的阶段，代码无论求值多少次都只是在构造同样的描述，引用透明性得以保持。副作用只发生在右边的阶段。

3. IO 也是承载结果的容器（Monad）¶

如果一个动作执行后会产生数据（例如读取一行文本），它的类型就是 IO String。

• 可以把 IO String 看作一个装着未来执行结果的容器。

• 为了不让外部数据污染纯逻辑，标准库没有安全的 IO a -> a 函数（unsafePerformIO 存在，但不应在普通代码中使用）。

• 大多数程序的逻辑是一连串有先后依赖的 IO 动作：先读配置文件，再根据配置连接数据库，再查询数据。

这正是 Monad 在这里的作用：通过 >>=，前一个动作产生的值可以传给下一个动作的构造函数，动态决定下一步做什么。

基于 Handle 的操作¶

涉及文件、套接字等系统资源时，使用基于句柄（Handle）的操作。System.IO 的 withFile 负责句柄的生命周期，行为类似 Python 的 with open(...) as f: 或 Java 的 try-with-resources：无论作用域内的操作正常结束还是抛出异常，文件句柄都会被关闭。句柄上的读写函数都以 h 开头，hGetLine、hPutStrLn、hIsEOF，用法与不带 h 的控制台版本一致：

import System.IO

-- 打印文件的前 n 行，只把需要的行读进内存
printHead :: Int -> FilePath -> IO ()
printHead n path =
  withFile path ReadMode $ \h -> do
    let loop i = do
          eof <- hIsEOF h
          if eof || i >= n
            then return ()
            else hGetLine h >>= putStrLn >> loop (i + 1)
    loop 0

注意这里没有用 hGetContents 一次取出全部内容。它和下面要说的 readFile 一样是惰性的，如果在 withFile 返回后才去消费结果，句柄已经关闭，得到的是空内容或异常。逐行读写、编码设置和标准输出的缓冲问题，读写文件一章有更完整的例子。

惰性 I/O 的问题¶

Prelude 提供了 readFile :: FilePath -> IO String。它用起来方便，但有一些需要了解的行为。

示例：数据库连接的释放¶

import Control.Exception (bracket)

data DBConn = DBConn String

openConn :: String -> IO DBConn
openConn url = do
  putStrLn $ "==> 连接数据库: " ++ url
  return (DBConn url)

closeConn :: DBConn -> IO ()
closeConn (DBConn url) =
  putStrLn $ "<== 断开数据库连接: " ++ url

runQuery :: DBConn -> IO ()
runQuery (DBConn url) = do
  putStrLn $ "正在 " ++ url ++ " 上执行事务..."
  -- 即使这里抛出异常，closeConn 也会执行

executeDatabaseTask :: IO ()
executeDatabaseTask =
  bracket (openConn "postgres://localhost:5432/app")
          closeConn
          runQuery

使用 try 与 catch¶

import Control.Exception
import qualified Data.Text.IO as TIO
import qualified Data.Text as T

safeLoadConfig :: FilePath -> IO (Either IOException T.Text)
safeLoadConfig path = try (TIO.readFile path)

demoExceptionHandler :: IO ()
demoExceptionHandler = do
  result <- safeLoadConfig "config.yaml"
  case result of
    Left ex ->
      putStrLn $ "加载配置失败，使用默认配置。原因: " ++ show ex
    Right content ->
      putStrLn $ "配置加载成功，大小: " ++ show (T.length content) ++ " 字符"