Clojure文件操作和惰性序列
Clojure文件操作和惰性序列
读取和写入文件
数据一般都是存储在纯文本文件当中，存储的形式多种多样。本文，我会介绍如何在Clojure中读取和写入这些数据。
1. 打开文件
新建文件hello.txt，放到resources目录，内容如下：
hello world!
hello lambeta!
hello life!新建4io.clj，输入程序：
(ns the-way-to-clojure.4io
(:require [clojure.java.io :as io]
[clojure.string :as str]))
(def data-file (io/resource "hello.txt"))
(slurp data-file) 运行程序，输出如下：
"hello world! \nhello lambeta!\nhello life!\n"读取所有行
(line-seq (io/reader data-file))
;;=> ("hello world!" "hello lambeta!" "hello life!")with-open宏
with-open宏用于自动关闭打开的文件。
1.1 读取一行，如下：
(with-open [rdr (io/reader data-file)]
(when-let [line (.readLine rdr)]
(println line)))1.2 读取多行，如下：
;;; read multiple lines
(with-open [rdr (io/reader data-file)]
(loop [line (.readLine rdr)]
(when line
(println line)
(recur (.readLine rdr)))))2. 读取文件的技巧
想想读取文件可能有哪些场景？
- 读取整个文本
(slurp data-file)- 读取一行
(with-open [rdr (io/reader data-file)]
(first (line-seq rdr)))
;; 或者
(with-open [rdr (io/reader data-file)]
(take 1 (line-seq rdr)))
-> "hello world!"- 读取前n行
(with-open [rdr (io/reader data-file)]
(doall (take 2 (line-seq rdr))))
-> ("hello world!" "hello lambeta!")这里使用了(doall )方法，如果不用这个方法，在repl中求值的时候会表达式导致抛出Unhandled java.io.IOException Stream closed异常。究其缘由是(take 2 )返回了一个惰性序列，详细解释参见备注。
- 读取前n个字符
with-open [rdr (io/reader data-file)]
(loop [ch (.read rdr) len 20]
(when-not (or (= -1 ch) (zero? len))
(println (char ch))
(recur (.read rdr) (dec len)))))
| h
| e
| ...
-> nil- 跳过特定的行
在resources目录下，新建records.txt，内容即代码注释所示：
(defn read-records [input-file]
"Coloured fox fur production, HOPEDALE, Labrador, 1834-1842
#Source: C. Elton (1942) \"Voles, Mice and Lemmings\", Oxford Univ. Press
#Table 17, p.265--266
22
29
2
16
12
35
8
83
166"
(letfn [(skip [lines]
(next lines))]
(with-open [rdr ((comp io/reader io/resource) input-file)]
(->>
(for [line (skip (line-seq rdr))
:when (not (.startsWith line "#"))]
(read-string line))
(apply +)))))
(read-records "records.txt")
-> 373我们在read-records内部新建一个skip方法，顾名思义，跳过第一个元素，然后返回后面的列表。这里旨在跳过文本的声明头。:when (not ...)过滤了文本的注释部分（以#开头的行），并使用read-string转换字符串到数字类型，(for )求值完成后返回只包含数字的列表。最后，我们对列表做了一次累加操作。
我们试试非过滤而是跳过（删除）以"#"开头行的方式获取数字列表，这样更符合要求。重写with-open部分，如下：
(with-open [rdr ((comp io/reader io/resource) input-file)]
(apply +
(let [lines (skip (line-seq rdr))]
(->> lines
(remove (set (for [line lines :while (.startsWith line "#")] line)))
(map read-string)))))或者
(with-open [rdr ((comp io/reader io/resource) input-file)]
(apply +
(let [lines (skip (line-seq rdr))]
(->> lines
(drop (count (for [line lines :while (.startsWith line "#")] line)))
(map read-string)))))3. 读取网络文件
通过slurp读取字符串
(slurp "http://robjhyndman.com/tsdldata/ecology1/hopedale.dat" :encoding "utf-8")
-> "Coloured fox fur production, HOPEDALE, Labrador,, 1834-1925\n#Source: C. Elton (1942) \"Voles, Mice and Lemmings\", Oxford Univ. Press\n#Table 17, p.265--266\n 22 \n...注意，这个网页上的数据是用UTF-8编码的，所以解码读取时，也应该使用UTF-8。
4. 写入文件
- 使用spit方法
(spit "world.txt" "Hello, lambeta!" :append true)运行程序之后，项目的根目录下会生成world.txt文件，内容是Hello, lambeta。spit方法其实就是向Java的BufferedWriter中写入内容。
- 使用clojure.java.io/writer
我们在项目的根目录新建numbers.txt，内容是多行的数字对，如下：
1.3 2.7
10000 1
-1 1我们需要把每行两个数字，和它们相加的结果写入到sum-of_numbers.txt文件中。也就是注释中的描述。
(defn sum-number-pairs [input-file output-file]
"Read the data from input-file, which contains two floats per line
separated by a space. Open file named output-file and, for each line in
input-file, write a line to the output file that contains the two floats
from the corresponding line of input-file plus a space and the sum of the
two floats."
(with-open [rdr (io/reader input-file) wtr (io/writer output-file :append true)]
(loop [line (.readLine rdr)]
(when line
(let [pair (map read-string
(str/split line #"\s"))
first (first pair)
second (second pair)
sum (+ first second)]
(.write wtr (str first " " second " " sum "\n")))
(recur (.readLine rdr))))))
(sum-number-pairs "numbers.txt" "sum-of-numbers.txt")with-open同时打开了一个用于读取、名为input-file的文件以及一个用于写入、名为output-file的文件，写入方式是追加:append true。随后循环读取input-file中的每行内容。若line不是nil（即存在），那么用空格分隔这行内容，得到一个数组，如："1.3 2.7" -> ["1.3" "2.7"]。此时数组的元素类型还不是数字（Number），我们使用(map read-string )将元素转换为对应的数字类型，如：["1.3" "2.7"] -> [1.3 2.7]。之后，分别提取数组的第一、二个元素以及两者的和。最后，写入到wtr中。
注意：程序中的str/split是通过(:require [clojure.string :as str])方式引入str命名空间的。
运行程序之后，sum-of-numbers.txt中的内容如下：
1.3 2.7 4.0
10000 1 10001
-1 1 05. 多行记录
5.1 有结束标识
有时候，记录并不是以一行一行的方式存储在文件当中的，而是以多行数据描述一条记录。比如下面的蛋白质数据： 清单 5.1 multimol.pdb
COMPND AMMONIA
ATOM 1 N 0.257 -0.363 0.000
ATOM 2 H 0.257 0.727 0.000
ATOM 3 H 0.771 -0.727 0.890
ATOM 4 H 0.771 -0.727 -0.890
END
COMPND METHANOL
ATOM 1 C -0.748 -0.015 0.024
ATOM 2 O 0.558 0.420 -0.278
ATOM 3 H -1.293 -0.202 -0.901
ATOM 4 H -1.263 0.754 0.600
ATOM 5 H -0.699 -0.934 0.609
ATOM 6 H 0.716 1.404 0.137
END第一行描述的是分子的名字，接下来到END为止的每行代表原子的ID、类型以及在分子中分布的[x y z]坐标。 我们需要一个函数，将数据读取出来并且以规定的格式输出，格式如下：
(("AMMONIA"
("N" "0.257" "-0.363" "0.000")
("H" "0.257" "0.727" "0.000")
("H" "0.771" "-0.727" "0.890")
("H" "0.771" "-0.727" "-0.890"))
("METHANOL"
("C" "-0.748" "-0.015" "0.024")
("O" "0.558" "0.420" "-0.278")
("H" "-1.293" "-0.202" "-0.901")
("H" "-1.263" "0.754" "0.600")
("H" "-0.699" "-0.934" "0.609")
("H" "0.716" "1.404" "0.137")))也就是说，我们需要把每条记录读入单个列表中，每个列表由分子的名称和多个(Type X Y Z)的原子列表组成。
(defn read-all-molecules [input-file]
(map (fn [molecules]
(let [[_ name] (str/split (first molecules) #"\s+")
atoms (map (comp #(drop 2 %) #(str/split % #"\s+"))
(rest molecules))]
(concat [name] atoms)))
;; 分割成多条记录
(remove #(= % ["END"])
(partition-by #(= % "END") (line-seq (io/reader input-file))))))
(read-all-molecules "multimol.pdb")(remove #(= % ["END"]) (partition-by #(= % "END") (line-seq (io/reader input-file))))这行代码做的事情就是把文件读取出来变成一个lazy-seq，然后使用parttition-by以END进行分组，最后使用remove方法剔除掉["END"]这样的分组，得到如下中间结果：
(("COMPND AMMONIA"
"ATOM 1 N 0.257 -0.363 0.000"
"ATOM 2 H 0.257 0.727 0.000"
"ATOM 3 H 0.771 -0.727 0.890"
"ATOM 4 H 0.771 -0.727 -0.890")
("COMPND METHANOL"
"ATOM 1 C -0.748 -0.015 0.024"
"ATOM 2 O 0.558 0.420 -0.278"
"ATOM 3 H -1.293 -0.202 -0.901"
"ATOM 4 H -1.263 0.754 0.600"
"ATOM 5 H -0.699 -0.934 0.609"
"ATOM 6 H 0.716 1.404 0.137"))这样离我们的目标已经很近了。观察上述结果，不难发现分子的名称处于列表的第一个(first )，而原子列表可以使用(rest )获取。然后，借助(map )函数遍历所有的记录。
(let )中的第一个binding是[_ name] (str/split (first molecules) #"\s+")，首先用(split )函数分割，再使用了解构提取出分子的名称；第二个binding是原子列表的提取，我们在(split )的基础之上，使用(drop 2 )函数剔除了不用的字段，如：ATOM和1。最后使用(concat )函数将名称和原子列表的列表拼接到一起。
5.2 无结束标识
5.1中的记录项通过END标识分隔，但是事实上这是一个多余的字段，记录项可以更简练，如下： 清单 5.2 multimol-without-end-marker.pdb
COMPND AMMONIA
ATOM 1 N 0.257 -0.363 0.000
ATOM 2 H 0.257 0.727 0.000
ATOM 3 H 0.771 -0.727 0.890
ATOM 4 H 0.771 -0.727 -0.890
COMPND METHANOL
ATOM 1 C -0.748 -0.015 0.024
ATOM 2 O 0.558 0.420 -0.278
ATOM 3 H -1.293 -0.202 -0.901
ATOM 4 H -1.263 0.754 0.600
ATOM 5 H -0.699 -0.934 0.609
ATOM 6 H 0.716 1.404 0.137现在的问题变成了没有END标识符，如何进行分组？观察不难发现以COMPND开头的数据行可以作为记录的分隔符。
使用(partition-by #(.startsWith % "COMPND") (line-seq (io/reader input-file)))进行分组，得到的结果如下：
(("COMPND AMMONIA")
("ATOM 1 N 0.257 -0.363 0.000"
"ATOM 2 H 0.257 0.727 0.000"
"ATOM 3 H 0.771 -0.727 0.890"
"ATOM 4 H 0.771 -0.727 -0.890")
("COMPND METHANOL")
("ATOM 1 C -0.748 -0.015 0.024"
"ATOM 2 O 0.558 0.420 -0.278"
"ATOM 3 H -1.293 -0.202 -0.901"
"ATOM 4 H -1.263 0.754 0.600"
"ATOM 5 H -0.699 -0.934 0.609"
"ATOM 6 H 0.716 1.404 0.137"))此时，我们对比5.1中中间结果，会发现它们极为相似。也就是说，我们稍加转换就能让两者一致，而一致的好处就是可以复用原来(map )中的逻辑。
稍稍修改原来的分组逻辑，如下：
(map (fn [[name atoms]] (concat name atoms))
(partition 2
(partition-by
#(.startsWith % "COMPND")
(line-seq (io/reader input-file)))))我们先使用(partition 2 )将第一步得到的列表每隔两个元素划为一组，如下：
((("COMPND AMMONIA")
("ATOM 1 N 0.257 -0.363 0.000"
"ATOM 2 H 0.257 0.727 0.000"
"ATOM 3 H 0.771 -0.727 0.890"
"ATOM 4 H 0.771 -0.727 -0.890")) ; 多出一对括号
(("COMPND METHANOL")
("ATOM 1 C -0.748 -0.015 0.024"
"ATOM 2 O 0.558 0.420 -0.278"
"ATOM 3 H -1.293 -0.202 -0.901"
"ATOM 4 H -1.263 0.754 0.600"
"ATOM 5 H -0.699 -0.934 0.609"
"ATOM 6 H 0.716 1.404 0.137")))然后使用(map (fn [[name atoms]] ...)将每组里面的两个列表合成为一个列表，这样就得到和原来5.1一模一样的中间结果。
接下来，我们把转换的逻辑从(read-all-molecules )中提取出来，以便复用。改造如下：
(defn read-all-molecules [f input-file]
(let [data (f input-file)]
(map (fn [molecules]
(let [[_ name] (str/split (first molecules) #"\s+")
atoms (map (comp #(drop 2 %) #(str/split % #"\s+"))
(rest molecules))]
(concat [name] atoms))) data)))定义转换逻辑，如下：
(defn file-without-markers->multi-records [input-file]
(map (fn [[name atoms]] (concat name atoms))
(partition 2
(partition-by
#(.startsWith % "COMPND")
(line-seq (io/reader input-file))))))最后，我们来调用的改造之后的方法：
(read-all-molecules
file-without-markers->multi-records "multimol-without-end-marker.pdb")此时，5.1中的转换逻辑也可以提取出一个函数：
(defn file->multi-records
(remove #(= % ["END"])
(partition-by #(= % "END") (line-seq (io/reader input-file)))))原来的程序就重构成了如下的模样：
(read-all-molecules file->multi-records "multimol.pdb")备注
为了清楚定位这个问题，我们需要提前了解两个知识点
- 什么是惰性序列？
- 惰性序列在repl中什么时候变现（realizes）？
惰性序列是用(lazy-seq [& body] )宏创建出来的。lazy-seq仅在需要的时候才会去调用它的body。
当repl尝试pretty-print惰性序列的结果时，才会进行变现操作。
有了上面的知识点，我们来考察with-open和(take 2 (line-seq ))的关系。with-open是宏，我们使用clojure.walk/macroexpand-all展开下：
(clojure.walk/macroexpand-all
'(with-open [rdr (io/reader data-file)]
(take 2 (line-seq rdr))))
-> (let* [rdr (io/reader data-file)]
(try (do
(take 2 (line-seq rdr)))
(finally (. rdr clojure.core/close)))) 使用(doc line-seq)查看文档，得到
clojure.core/line-seq
[rdr]
Added in 1.0
Returns the lines of text from rdr as a lazy sequence of strings.
rdr must implement java.io.BufferedReader.可以确认line-seq返回一个惰性的字符串序列。
再看看(doc take)的文档，得到
clojure.core/take
[n]
[n coll]
Added in 1.0
Returns a lazy sequence of the first n items in coll, or all items if
there are fewer than n. Returns a stateful transducer when
no collection is provided.所以take返回的也是一个惰性序列，那么(do (take 2 (line-seq rdr)))（等价于(take 2 (line-seq rdr))）整个返回的就是一个惰性序列。
当我们通过repl求值with-open时，它并没有真的变现(take 2 (line-seq rdr))，而是在运行完try...finally之后，直接返回这个惰性序列作为结果。此时，repl开始尝试pretty-print (take 2 (line-seq rdr))，变现发生，但是rdr已经被关闭了，所以抛出Stream closed异常。
到这里，解决了一大半问题，但是还有一个逻辑上解释不过去的点，就是
(with-open [rdr (io/reader data-file)]
(take 1 (line-seq rdr)))当我们尝试(take 1 )时并不会抛出异常！也就是说(take 1 )和(take 2 )的行为不同，但是(take )明明都是返回惰性序列啊？
带着这个疑惑，看看line-seq的源代码
(when-let [line (.readLine rdr)]
(cons line (lazy-seq (line-seq rdr)))))是不是有种豁然开朗的感觉？没有也没关系，我来解释一下。
line-seq的when-let语句并没有包在(lazy-seq )（这点可以和take的源码比较）中，这说明[line (.readline rdr)]是需要立即求值的。也就是说，我们在求值with-open时，rdr中第一行的内容会被(line-seq )给抓住了。那么当try...finally运行结束之后，pretty-print变现惰性序列时，发现第一行根本不需要从rdr中读，当然就不会抛出异常了。
明确这几点之后，我们看看(doall )为何能解决惰性序列延迟求值的问题？(doall )其实强制变现了整个惰性序列（不断调用序列的next方法），所以并不会等到with-open求值完成之后才求值。
换个角度，我们知道之所以抛出异常，是因为repl对返回的惰性序列求值了。那么如果我们不在repl中求值，程序还会抛出异常吗？
(ns the-way-to-clojure.core
(:require [clojure.java.io :as io])
(:gen-class))
(defn -main [& args]
(with-open [rdr (io/reader "hello.txt")]
(take 100 (line-seq rdr))))接着，我们使用lein run来运行main方法。程序运行良好，因为根本没有人用到返回的惰性序列。
如果我们加一句打印语句如下：
(defn -main [& args]
(println ; 变现
(with-open [rdr (io/reader "hello.txt")]
(take 100 (line-seq rdr)))))再用lein run跑一个main方法，异常又不期而遇了。因为此处的println等价于repl的pretty print。
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