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MoonBit

MoonBit 是一个用于云计算和边缘计算的 WebAssembly 端到端编程语言工具链。 您可以在 https://try.moonbitlang.cn 获得 IDE 环境，无需安装任何软件，也不依赖任何服务器。

状态​

MoonBit 目前处于 Pre-alpha 阶段，是实验性质的。我们期望明年达到 beta 阶段。

主要优势​

  • 生成与现有解决方案相比显著更小的 WASM 文件。
  • 更高的运行时性能。
  • 先进的编译时性能。
  • 简单但实用的数据导向语言设计。

概述​

一个月兔程序由类型定义，函数定义和变量绑定组成。 每个包的入口点是一个特殊的 init 函数。init 函数特殊在以下两个方面：

  1. 在同一个包中可以有多个 init 函数。
  2. init 函数不能被显式地调用或被其他函数引用。相反，在一个包初始化时，所有的 init 函数都将被隐式地调用。因此，init 函数只应该包含语句。
fn init {
  print("Hello world!") // OK
}

fn init {
  let x = 1
  // x // fail
  print(x) // success
}

MoonBit 区分语句和表达式。在一个函数体中，只有最后一句应该是作为返回值的表达式。例如：

fn foo() -> Int {
  let x = 1
  x + 1 // OK
}

fn bar() -> Int {
  let x = 1
  x + 1 // fail
  x + 2
}

fn init {
  print(foo())
  print(bar())
}

表达式和语句​

表达式包括：

  • 值字面量（例如布尔值、数字、字符、字符串、数组、元组、结构体）
  • 算术、逻辑或比较操作
  • 访问数组元素（例如 a[0]）或结构体字段（例如 r.x）或元组组成部分（例如 t.0）
  • 变量和（大写字母开头的）枚举构造器
  • 匿名局部函数定义
  • match 和 if表达式

语句包括：

  • 命名局部函数定义
  • 局部变量绑定
  • 赋值
  • While 循环和相关的控制流结构（break 和 continue）
  • return 语句
  • 返回类型为 unit 的任何表达式

函数​

函数接受参数并产生结果。 在 MoonBit 中，函数是一等公民，这意味着函数可以作为其他函数的参数或返回值。

顶层函数​

函数可以被定义为顶层或局部。 我们可以使用 fn 关键字定义一个顶层函数， 例如以下求三个整数之和并返回结果的函数：

fn add3(x: Int, y: Int, z: Int)-> Int {
  x + y + z
}

注意顶层函数的参数和返回值类型需要显式标注。如果返回类型被省略，函数将被视为返回 unit 类型。

局部函数​

局部函数使用 fn 关键字定义。局部函数可以是命名或匿名的。在大多数情况下，局部函数的类型注解可以省略，因为编译器可以自动推断。例如：

fn foo() -> Int {
  fn inc(x) { x + 1 }  // named as `inc`
  fn (x) { x + inc(2) } (6) // anonymous, instantly applied to integer literal 6
}

fn init {
  print(foo())
}

无论是命名的还是匿名的，函数都是 词法闭包：任何没有局部绑定的标识符必须引用来自周围词法范围的绑定

let y = 3
fn foo(x: Int) {
  fn inc()  { x + 1 } // OK, will return x + 1
  fn four() { y + 1 } // Ok, will return 4
  print(inc())
  print(four())
}

fn init {
  foo(2)
}

函数调用​

函数可以用圆括号内的参数列表进行调用：

add3(1, 2, 7)

这适用于命名函数（如前面的例子）和绑定到函数值的变量，如下所示：

fn init {
  let add3 = fn(x, y, z) { x + y + z }
  print(add3(1, 2, 7))
}

表达式 add3(1, 2, 7) 返回 10。任何求值为函数值的表达式都可以被调用：

fn init {
  let f = fn (x) { x + 1 }
  let g = fn (x) { x + 2 }
  print((if true { f } else { g })(3)) // OK
}

控制结构​

条件表达式​

条件表达式由条件、结果和一个可选的 else 子句组成。

if x == y {
  expr1
} else {
  expr2
}

if x == y {
  expr1
}

else 子句也可以包含另一个 if-else 表达式：

if x == y {
  expr1
} else if z == k {
  expr2
}

花括号在结果或 else 子句中用于组合表达式

需要注意的是，在 MoonBit 中，条件表达式总是返回一个值，结果和 else 子句的返回值类型必须相同。

循环​

MoonBit 中的主要循环语句是 while 循环：

while x == y {
  expr1
}

while 语句不返回任何值；它只求值成 unit 类型的 () MoonBit 还提供 break 和 continue 语句来控制循环流。

内置数据结构​

数字​

Moonbit 支持数字的字面量，包括十进制，二进制，八进制和十六进制数。

为了提升可读性，你可以在数字字面量中间插入下划线，例如 1_000_000。注意到下划线可以被插入在数字之间的任何位置，不只是每三个数字。

  • 十进制数没有任何出人意料的地方。
let a = 1234
let b = 1_000_000 + a
let large_num = 9_223_372_036_854_775_807L // Int64 类型的整数必须有'L'作为后缀
  • 一个八进制数有一个前缀 0 接着一个字母 O，也就是 0o 或 0O。注意到在 0o 或 0O 之后出现的数字只能在 0 到 7 之间。
let octal = 0o1234
let another_octal = 0O1234
  • 一个十六进制数有一个前缀 0 接着一个字母 X，也就是 0x 或 0X。注意到在 0x 或 0X 之后出现的数字只能是 0123456789ABCDEF 之一。
let hex = 0XA
let another_hex = 0xA

字符串​

字符串插值是 MoonBit 中的一个强大功能，它允许在插值字符串中替换变量。该功能通过直接将变量值嵌入文本中来简化构建动态字符串的过程

fn init {
  x := 42
  print("The answer is \(x)")
}

用于字符串插值的变量必须支持 to_string 方法。

元组​

元组是一个有限值的集合，使用圆括号 () 构造，其中元素由逗号 , 分隔。 元素的顺序很重要，例如 (1, true) 和 (true, 1) 是不同的类型。以下是一个例子：

fn pack(a: Bool, b: Int, c: String, d: Double) -> (Bool, Int, String, Double) {
    (a, b, c, d)
}
fn init {
    let quad = pack(false, 100, "text", 3.14)
    let (bool_val, int_val, str, float_val) = quad
}

可以通过模式匹配或索引来访问元组：

fn f(t : (Int, Int)) {
  let (x1, y1) = t // access via pattern matching
  // access via index
  let x2 = t.0
  let y2 = t.1
  if (x1 == x2 && y1 == y2) {
    print("yes")
  } else {
    print("no")
  }
}

fn init {
  f((1, 2))
}

数组​

数组是由方括号 [] 构造的有限值序列，其中元素由逗号 , 分隔。例如：

let array = [1, 2, 3, 4]

可以使用 array[x] 来引用第 x 个元素。索引从零开始。

fn init {
  let array = [1, 2, 3, 4]
  let a = array[2]
  array[3] = 5
  let b = a + array[3]
  print(b) // prints 8
}

变量绑定​

变量可以使用关键字 var 或 let 分别声明为可变或不可变。 可变变量可以重新赋值，不可变变量则不能。

let zero = 0

fn init {
  var i = 10
  i = 20
  print(i + zero)
}

对于局部不可变绑定，还可以使用 := 的简写语法糖。

fn init {
  a := 3
  b := "hello"
  print(a)
  print(b)
}

数据类型​

创建新数据类型的方法有两种：struct 和 enum。

结构​

在 MoonBit 中，结构与元组类似，但是它们的字段由字段名索引。 结构体可以使用结构体字面量构造，结构体字面量由一组带有标签的值组成，并用花括号括起来。 如果结构体字面量的字段完全匹配类型定义，则其类型可以被自动推断。 使用点语法 s.f 可以访问结构体字段。 如果一个字段使用关键字 mut 标记为可变，那么可以给它赋予新的值。

struct User {
  id: Int
  name: String
  mut email: String
}

fn init {
  let u = { id: 0, name: "John Doe", email: "john@doe.com" }
  u.email = "john@doe.name"
  print(u.id)
  print(u.name)
  print(u.email)
}

注意，您还可以在结构类型中包含与之关联的方法，例如：

struct Stack {
  mut elems: List[Int]
  push: (Int) -> Unit
  pop: () -> Int
}

枚举​

枚举类型和函数式语言中的代数数据类型类似。 枚举可以有一组情况，并且每个情况和元组类似，可以指定不同类型的关联值。 每个情况的标签必须大写，称为数据构造函数。 可以通过调用带有指定类型参数的数据构造函数来构造枚举。 枚举的构造必须使用标明类型。 可以通过模式匹配来解构枚举，并且可以将关联值绑定到每个模式中指定的变量。

enum List {
  Nil
  Cons (Int, List)
}

fn print_list(l: List) {
  match l {
    Nil => print("nil")
    Cons(x, xs) => {
      print(x)
      print(",")
      print_list(xs)
    }
  }
}

fn init {
  let l: List = Cons(1, Cons(2, Nil))
  print_list(l)
}

模式匹配​

我们已经展示了对枚举进行模式匹配的用例，但是模式匹配不局限于枚举。 例如，我们也可以对布尔值、数字、字符、字符串、元组、数组和结构体字面量进行模式匹配。 由于这些类型和枚举不同，只有一种情况，我们可以使用 let/var 绑定而不是 match 表达式来对它们进行模式匹配。 需要注意的是，在 match 中绑定的变量的作用域仅限于引入该变量的分支，而 let/var 绑定将引入每个变量到当前作用域。 此外，我们可以使用下划线 _ 作为我们不关心的值的通配符。

let id = match u {
  { id: id, name: _, email: _ } => id
}
// is equivalent to
let { id: id, name: _, email: _ } = u

在模式匹配中还有一些其他有用的构造。 例如，我们可以使用 as 为某个模式指定一个名称，并且可以使用 | 同时匹配多个情况。

match expr {
  e as Lit(n) => ...
  Add(e1, e2) | Mul(e1, e2) => ...
  _ => ...
}

泛型​

您可以在顶层的函数和数据结构定义中使用泛型。 类型参数可以由方括号引入。 我们可以重写前面提到的数据类型 List，添加类型参数 T，以获得一个泛型版本的列表。 然后，我们可以定义泛型函数 map 和 reduce，用于对列表进行操作。

enum List[T] {
  Nil
  Cons(T, List[T])
}

fn map[S, T](self: List[S], f: (S) => T) -> List[T] {
  match self {
    Nil => Nil
    Cons(x, xs) => Cons(f(x), map(xs, f))
  }
}

fn reduce[S, T](self: List[S], op: (T, S) => T, init: T) -> T {
  match self {
    Nil => init
    Cons(x, xs) => reduce(xs, op, op(init, x))
  }
}

统一函数调用语法​

MoonBit 支持与传统面向对象语言不同的方法(method)。 一个方法被定义为 self 作为其第一个参数的顶层函数。 self 参数将成为方法调用的主体。 例如，l.map(f) 等同于 map(l, f)。 这种语法使得方法链而不是嵌套的函数调用成为可能。 例如，我们可以使用这样的语法将先前定义的 map 和 reduce 与 from_array 和 output 方法链在一起，执行列表操作。

fn map[S, T](self: List[S], f: (S) -> T) -> List[T] {
  match self {
    Nil => Nil
    Cons(x, xs) => Cons(f(x), map(xs, f))
  }
}

fn reduce[S, T](self: List[S], op: (T, S) -> T, init: T) -> T {
  match self {
    Nil => init
    Cons(x, xs) => reduce(xs, op, op(init, x))
  }
}

fn into_list[T](self: Array[T]) -> List[T] {
  var res: List[T] = Nil
  var i = self.length() - 1
  while (i >= 0) {
    res = Cons(self[i], res)
    i = i - 1
  }
  res
}

fn init {
  print([1, 2, 3, 4, 5].into_list().map(fn(x) { x * 2 }).reduce(fn(x, y) { x + y }, 0))
}

方法和普通函数的另一个区别是，只有方法支持重载。 例如，我们可能需要多个输出函数： print_int 和 print_float 用于不同类型的输出。 但使用方法 print ，可以识别主体的类型，并选择适当的重载版本，例如 print(1) 和 print(1.0)。

运算符重载​

MoonBit 支持重载内置运算符。与运算符 <op> 相对应的方法名称是 op_<op>。例如：

struct T {
  x:Int
}

fn op_add(self: T, other: T) -> T {
  { x: self.x + other.x }
}

fn init {
  let a = { x:0, }
  let b = { x:2, }
  print((a + b).x)
}

目前，以下运算符可以被重载：

operator namemethod name
+op_add
-op_sub
*op_mul
/op_div
%op_mod
-(unary)op_neg
_[_](get item)op_get
_[_] = _(set item)op_set

访问控制​

默认情况下，所有函数定义和变量绑定对其他包是 不可见 的； 没有修饰符的类型是抽象数据类型，其名称被导出，但内部是不可见的。 这种设计防止了意外暴露实现细节。 您可以在 type/fn/let 前使用 pub 修饰符使其完全可见，或在 type 前使用 priv 修饰符使其对其他包完全不可见。 您还可以在字段名前使用 pub 或 priv 获得更细粒度的访问控制。 但是，请注意：

  • 在抽象或私有结构体内，所有字段都不能被定义为 pub，因为这样没有意义。
  • 枚举类型的构造器没有单独的可见性，所以不能在它们前面使用 pub 或 priv
struct R1 {       // abstract data type by default
  x: Int          // implicitly private field
  pub y: Int      // ERROR: `pub` field found in a abstract type!
  priv z: Int     // WARNING: `priv` is redundant!
}

pub struct R2 {       // explicitly public struct
  x: Int              // implicitly public field
  pub y: Int          // WARNING: `pub` is redundant!
  priv z: Int         // explicitly private field
}

priv struct R3 {       // explicitly private struct
  x: Int               // implicitly private field
  pub y: Int           // ERROR: `pub` field found in a private type!
  priv z: Int          // WARNING: `priv` is redundant!
}

enum T1 {       // abstract data type by default
  A(Int)        // implicitly private variant
  pub B(Int)    // ERROR: no individual visibility!
  priv C(Int)   // ERROR: no individual visibility!
}

pub enum T2 {       // explicitly public enum
  A(Int)            // implicitly public variant
  pub B(Int)        // ERROR: no individual visibility!
  priv C(Int)       // ERROR: no individual visibility!
}

priv enum T3 {       // explicitly private enum
  A(Int)             // implicitly private variant
  pub B(Int)         // ERROR: no individual visibility!
  priv C(Int)        // ERROR: no individual visibility!
}

MoonBit 中另一个有用的特性是 pub(readonly) 类型，其受到了 OCaml private types的启发。简而言之，pub(readonly) 类型的值可以使用模式匹配或点语法析构，但在其他包中，不能被构造或改变。注意到在 pub(readonly) 类型定义的同一个包中，它没有任何限制。

// Package A
pub(readonly) struct RO {
  field: Int
}
fn init {
  let r = { field: 4 }       // OK
  let r = { ..r, field: 8 }  // OK
}

// Package B
fn print_RO(r : RO) {
  print("{ field: ")
  print(r.field)  // OK
  print(" }")
}
fn init {
  let r : RO = { field: 4 }  // ERROR: Cannot create values of the public read-only type RO!
  let r = { ..r, field: 8 }  // ERROR: Cannot mutate a public read-only field!
}

MoonBit 中的访问控制遵循这样一个原则：pub 类型、函数或变量不能基于私有类型进行定义。 这是因为私有类型可能不是在使用 pub 实体的所有地方都可以被访问。 MoonBit 内建了一些检查，以防止违反这一原则的用例。

pub struct s {
  x: T1  // OK
  y: T2  // OK
  z: T3  // ERROR: public field has private type `T3`!
}

// ERROR: public function has private parameter type `T3`!
pub fn f1(_x: T3) -> T1 { T1::A(0) }
// ERROR: public function has private return type `T3`!
pub fn f2(_x: T1) -> T3 { T3::A(0) }
// OK
pub fn f3(_x: T1) -> T1 { T1::A(0) }

pub let a: T3  // ERROR: public variable has private type `T3`!

接口系统​

MoonBit 具有用于重载/特设多态的结构接口系统。 接口可以声明如下：

interface I {
  f(Self, ...) -> ...
}

无需显式实现接口。 具有所需方法的类型会自动实现接口。 例如，以下接口：

interface Show {
  to_string(Self) -> String
}

内置类型如 Int 和 Double 会自动实现这个接口。

在声明泛型函数/方法时，类型参数可以用它们应该实现的接口进行注解。 例如：

interface Number {
  op_add(Self, Self) -> Self
  op_mul(Self, Self) -> Self
}

fn square[N: Number](x: N) -> N {
  x * x
}

如果没有 Number 的要求，square 中的表达式 x * x 会导致找不到方法/运算符的错误。 现在，函数 square 可以与任何实现了 Number 接口的类型一起使用，例如：

fn init {
  print(square(2)) // 4
  print(square(1.5)) // 2.25
  print(square({ x: 2, y: 3 })) // (4, 9)
}

struct Point {
  x: Int
  y: Int
}

fn op_add(self: Point, other: Point) -> Point {
  { x: self.x + other.x, y: self.y + other.y }
}

fn op_mul(self: Point, other: Point) -> Point {
  { x: self.x * other.x, y: self.y * other.y }
}

fn to_string(self: Point) -> String {
  let x = self.x
  let y = self.y
  "(\(x), \(y))"
}

Moonbit provides the following useful builtin interfaces:

interface Eq {
  op_equal(Self, Self) -> Bool
}

interface Compare {
  // `0` for equal, `-1` for smaller, `1` for greater
  op_equal(Self, Self) -> Int
}

interface Hash {
  hash(Self) -> Int
}

interface Show {
  to_string(Self) -> String
}

interface Default {
  Self::default() -> Self
}

没有 self 参数的方法​

有时候，拥有不带 self 参数的方法非常有用。例如，内置的 Default 接口描述了具有默认值的类型，但构造默认值不应该依赖于 self 值。因此，MoonBit 提供了一种特殊的语法用于不带 self 参数的方法：

fn Int::default() -> Int {
  0
}

fn init {
  print(Int::default())
}

没有 self 的方法必须显式使用它们的类型名称进行调用。 没有 self 的方法可以在接口中声明，并使用类型参数进行调用，例如：

interface I {
  Self::one() -> Self
  op_add(Self, Self) -> Self
}

fn two[X: I]() -> X {
  X::one() + X::one()
}

自动实现内建接口​

Moonbit 可以自动生成一些内建接口的实现:

struct T {
  x: Int
  y: Int
} derive(Eq, Compare, Show, Default)

fn init {
  let t1 = T::default()
  let t2 = { x: 1, y: 1 }
  println(t1) // {x: 0, y: 0}
  println(t2) // {x: 1, y: 1}
  println(t1 == t2) // false
  println(t1 < t2) // true
}

MoonBit 的构建系统​

构建系统的介绍可以在 MoonBit 的构建系统教程 中找到。