功能丰富的 Perl: 绑定的变量

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本文介绍了Perl中绑定标量、数组及散列变量的概念及其应用。通过示例解释了Tie::Scalar::Timeout、Tie::CharArray及Tie::Hash::TwoWay模块的使用方法。

通过 CPAN 模块绑定标量、数组及散列变量的示例

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级别：初级

Teodor Zlatanov (tzz@iglou.com), 程序员, Gold Software Systems

2003 年 1 月 09 日

Ted 以 CPAN 模块作为具体示例，通过其用法和实现，解释了绑定变量的基础知识。范围涵盖了标量、数组和散列变量。

在开始之前，您必须在您的系统上安装 Perl 5.005 或更新的版本（请参阅参考资料中的链接，通过这些链接获取该版本）。您的系统最好安装了较新的（2000 年或之后的）主流 UNIX（Linux、Solaris 和 BSD 等等），但其它操作系统或许也行。对于较早版本的 Perl 和 UNIX 或者其它操作系统，本文所提供的示例或许可以使用 — 不过在这样的条件下出现无法使用的情况，就作为练习由读者自行解决。

绑定的变量对于所有 Perl 程序员都是一个重要的工具。重用使用 Tie::Scalar 、 Tie::Array 或 Tie::Hash 接口的现有代码确实是再简单不过了，但是不管您是想就此主题编写您自己的程序，还是只想优化对绑定变量的使用，理解内部工作原理都是非常有用的。

让我们来研究三类主要的绑定变量：标量、数组和散列。因为绑定文件句柄比较复杂，所以它们属于比较高级的主题。

对于本文中所提及的每个 CPAN 模块，您都可以使用 CPAN 界面来查看其实现。在 UNIX 提示符下输入“cpan”或“perl -MCPAN -eshell”，您将看到一个二级提示符。例如，输入“look Tie::Scalar::Timeout”来查看 Tie::Scalar::Timeout 模块，您将能够看到该模块的内容。

“绑定（tie）”变量是什么意思？这里，动词“tie（绑定）”是作为“bind（绑定）”的同义词来使用的。绑定变量基本上就是将函数绑定到内部触发器上以读写该变量。这意味着，作为一名程序员，在使用变量时您可以让 Perl 做额外的事情。如果从这个简单的前提出发，那么绑定接口已经演变为 Perl 中的面向对象方法了，它将 OOP 的复杂性隐藏在过程接口后面。

绑定标量

标量变量简单而又不可缺少。它只保存一段数据：一个字符串、一个数字、未定义的值以及对另一个变量的引用。变量前面的“$”告诉 Perl 将该变量作为标量处理。使用标量变量是一件非常容易的事情：

清单 1. 普通标量

my $a = 'Hello';
$a = 'there';
$a = 89.2;

使用绑定标量变量同样简单。例如，让我们以极佳的 Tie::Scalar::Timeout 模块为例：

清单 2. 绑定的标量

use Tie::Scalar::Timeout;
tie my $k, 'Tie::Scalar::Timeout', EXPIRES => '+2s';
$k = 123;
sleep(3);
# $k is now undef

第一部分，其中调用了 tie() 函数，演示了如何告诉 Perl 变量 $k 实际上绑定到了 Tie::Scalar::Timeout 包。在幕后，Perl 运行 Tie::Scalar::Timeout 模块的 TIESCALAR() 函数（这实质上有些象对一个常规对象调用 new() ）。 TIESCALAR() 返回一个 Tie::Scalar::Timeout 类型的对象，该对象被赋给 $k 。

示例中传递给 Tie::Scalar::Timeout 的特定参数确保了它会在两秒钟之后超时。该模块还提供了其它选项，如在读了确定次数之后就超时。每次读取上个示例中创建的 $k 变量时，都会调用 Tie::Scalar::Timeout 模块中的 FETCH() 方法：

清单 3. Tie::Scalar::Timeout 在内部是如何运行的

sub FETCH {
        my $self = shift;
        # if num_uses isn't set or set to a negative value, it won't
        # influence the expiry process
        if (($self->{NUM_USES} == 0) ||
           (time >= $self->{EXPIRY_TIME})) {
                # policy can be a coderef or a plain value
                return &{ $self->{POLICY} } if ref($self->{POLICY}) eq 'CODE';
                return $self->{POLICY};
        }
        $self->{NUM_USES}-- if $self->{NUM_USES} > 0;
        return $self->{VALUE};
}

每次写绑定标量变量时，都会调用它的 STORE() 方法。标量也有 UNTIE() 和 DESTROY() 方法，但通常不会用到。

注：绑定标量变量以及在此问题上的任何绑定变量都需要将其实际数据存储在某个地方。对于 Tie::Scalar::Timeout ，数据存储在 $self->{VALUE} 中，因为标量变量 $k 实际上只是一个散列。Perl 通过创建一种封装向我们隐藏了这层复杂性，这种封装十分类似于 OOP 中的封装。

上面的代码意味着每次请求 $k 变量的值时，该值都可能改变。因此，如果希望拥有自己的 Schroedinger 盒，那么只需使用 Tie::Scalar::Timeout 模块和一个 0 到 100 之间的随机超时，并在 50 秒时读取 $k 变量值。假定有一个好的随机数生成器，您将根据超时获得 1 或未定义值。我们假定程序中指令执行所花费的时间是可以忽略的，但实际上它还是会引入一些偏差。的确，我们只用确定 rand(100) 是否大于 50 就行了，但这又有什么乐趣呢？

清单 4. Schroedinger 的超时

      use Tie::Scalar::Timeout;
# the timeout will be between 0 and 99
my $random_timeout = rand 100; 
tie my $k, 'Tie::Scalar::Timeout', VALUE => 1, EXPIRES => "+${random_timeout}s";
sleep(50);
print 'The timeout ', 
      ($k) ? 'did not happen' : 'happened', 
      "/n";

如果超时发生了，那么逮住一只猫并对它射击的任务就留给了读者作为练习来完成。

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绑定数组

数组比标量要复杂一些。它是标量的有序集合，因此需要额外的功能来处理它。数组有 TIEARRAY() （构造函数，类似于绑定数组的 new() ）、 FETCH() / STORE() （含意和绑定标量中的相同，但有一些额外的参数）、 FETCHSIZE() / STORESIZE() （用于数组大小管理）以及 UNTIE() 和 DESTROY() ，最后两个（例如）可以用于关闭文件或刷新输出。

同绑定标量中等同的函数比起来，绑定数组的 FETCH() 和 STORE() 需要额外的参数。这个额外的参数就是数组中的下标。 FETCHSIZE() 和 STORESIZE() 是调用 scalar( @ARRAY ) 和 $#ARRAY = x 时分别要用到的。

如果要用到对应的 Perl delete() 和 exists() 函数，那么就需要实现 DELETE() 和 EXISTS() 函数。

还有 POP() 、 PUSH() 、 SHIFT() 、 UNSHIFT() 、 SPLICE() 和 EXTEND() 函数（其中的头五个函数对应于同名但名字是小写形式的 Perl 函数），但模块编写者通常都会继承 Tie::StdArray 并使用那些已经实现的方法。

例如，可以这样实现 POP() ：对最后一个元素使用 FETCH() ，然后使用 STORESIZE(FETCHSIZE()-1) （将数组的大小减去 1，实际除去了最后一个元素）。当然，如果自己实现 POP() ，那么您要么完全知道您在做什么，要么完全不知道。

如果您想编写自己的绑定数组，那么请确保继承了 Tie::StdArray （请参阅“perldoc Tie::Array”）。所有的函数都已为您做了定义，并且您只需覆盖您想修改的函数 — 没必要另起炉灶。顺便说一下，绑定的数组正好是最复杂的绑定变量类型，而且根据我的统计在 CPAN 上也实现得最少。散列则没这么复杂。（如果您对实现细节感兴趣，那么请看 Tie::CharArray 源代码。）

作为绑定数组的示例，我们将研究 CPAN Tie::CharArray 模块。该模块允许程序员将字符串当作字符数组对待，或者作为数字代码或者作为单字符字符串。下面是该文档的一个示例：

清单 5. 作为数组的字符串

use Tie::CharArray;
my $foobar = 'a string';
tie my @foo, 'Tie::CharArray', $foobar;
$foo[0] = 'A';    # $foobar = 'A string'
push @foo, '!';   # $foobar = 'A string!'

对于这，C/C++/Java 程序员应该是“刻骨铭心”了。

注：如果将上面例子中的第 3 行写成

tie my @foo, 'Tie::CharArray', 'a string';

那么它将无法工作，并给出消息“Modification of a read-only value attempted”。事实上，‘a string’是一个不能修改的常量字符串。 @foo 数组直接使用传递给它的字符串，如果给它赋值就直接修改原始字符串。

Tie::CharArray 实际上是不考虑有关 Perl 中 substr() 或 pack() / unpack() 或者 split() 函数的细节的极佳办法。如果需要修改字符串中第 5 位到第 28 位的字符，那么您可以使用 substr() 或 pack() / unpack() 或者 split() 。您也可以只写：

清单 6. 处理个别字母

use Tie::CharArray qw/chars/; 
$f = "jello is yellow"; 
my $chars = chars $f; 
foreach (5..28) 
{
 $chars->[$_] = "!";
};

您愿意使用哪一种方法（内置字符串操作或 Tie::CharArray ）属于个人喜好，但清单 6 的可读性却是无庸置疑的。

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绑定散列

现在我们要研究好东西了。绑定的散列比绑定的数组更易于编写，而且更有用。

绑定的散列实现 TIEHASH() 构造函数、 FETCH() / STORE() 访问方法、 EXISTS() / DELETE() 方法（二者所起的作用和 Perl 中的 exists() 和 delete() 完全相象）、清除散列的 CLEAR() 以及用于遍历数组的 FIRSTKEY() / NEXTKEY() 。您完全可以继承 Tie::StdHash 包（位于 Tie::Hash perldoc 中），它定义了您需要的全部方法，这样您只需覆盖您想要的方法。

我们将在我的 Tie::Hash::TwoWay 模块中看到绑定散列的确切实现。该模块在内部维护两个散列，并在第一个散列获得数据时自动在第二个散列中创建反向映射。例如，如果您将键为“dog”的值 ["Fido"] 和键为“friend”的值 ["Fido"] 赋给 Tie::Hash::TwoWay 绑定散列（值必须在数组引用中），那么在同一个 Tie::Hash::TwoWay 绑定散列中将突然会出现一个带有值“dog”和“friend”的键“Fido”。请参阅该文档的示例：

清单 7. Tie::Hash::TwoWay 用法

use Tie::Hash::TwoWay;
tie %hash, 'Tie::Hash::TwoWay';
my %list = (
            Asimov => ['novelist', 'scientist'],
            King => ['novelist', 'horror'],
           );
foreach (keys %list)                  # these are the primary keys of the hash
{
 $hash{$_} = $list{$_};
}
# these will all print 'yes'
print 'yes' if exists $hash{scientist};
print 'yes' if exists $hash{novelist}->{Asimov};
print 'yes' if exists $hash{novelist}->{King};
print 'yes' if exists $hash{King}->{novelist};

Tie::Hash::TwoWay 继承了 Tie::StdHash 模块并覆盖了 STORE() 、 FETCH() 、 EXISTS() 、 DELETE() 、 CLEAR() 、 FIRSTKEY() 和 NEXTKEY() 方法。除此以外，它还定义了一个 secondary_keys() 方法来获取反向映射键。主键存储在 $self->{1} 中而辅键存储在 $self->{0} 中；数字常量具有符号名称 PRIMARY 和 SECONDARY，我个人以为这使它们可读性更好。

以下是 Tie::Hash::TwoWay 的代码，除了没有绑定／继承／初始化导言以及文档以外，其它都和模块中的一样。清单是按函数划分的。因为我们继承了 Tie::StdHash ，所以我们无需为实例定义 TIEHASH() 方法。我们仅仅重新定义需要修改其行为的方法。

清单 8. STORE() 函数

sub STORE
{
 my ($self, $key, $value) = @_;
 my $val_array_ref;
 if (ref $value eq 'ARRAY')		# array refs can be recognized
 {
  $val_array_ref = $value;
 }
 else			# everything else gets converted to array refs
 {
  $val_array_ref = [ $value ];
 }
 # add the values in the passed array to the primary and secondary hashes
 foreach my $value (@$val_array_ref)
 {
  $self->{SECONDARY}->{$value}->{$key} = 1;
  $self->{PRIMARY}->{$key}->{$value} = 1;
 }
 return 1;
}

STORE() 函数同时在主数组和辅数组（常规和反向映射）中创建一个项。数组被直接处理，其它任何东西都作为标量处理（并被插入数组引用中）。

清单 9. FETCH() 函数

# return the primary or secondary key, in that order (duplicate keys
# are not detected here)
sub FETCH
{
 my ($self, $key) = @_;
 
 exists $self->{PRIMARY}->{$key} &&
  return $self->{PRIMARY}->{$key};
 
 exists $self->{SECONDARY}->{$key} &&
  return $self->{SECONDARY}->{$key};
 
 return undef;
}

FETCH() 函数从主散列或辅散列检索键，这里优先检索主散列。（语句 1）&&（语句 2）这种逻辑快捷表示是一种常见的 Perl 习惯语法。

清单 10. EXISTS() 函数

# return the primary or secondary key existence, in that order
# (duplicate keys are not detected here)
sub EXISTS
{
 my ($self, $key) = @_;
 
 return undef unless (exists $self->{PRIMARY} &&
                      exists $self->{SECONDARY});
 
 return (exists $self->{PRIMARY}->{$key} ||
         exists $self->{SECONDARY}->{$key});
}

EXISTS() 函数依次检查正向和反向映射中是否存在某个键。

清单 11. DELETE() 函数

# delete the primary or secondary key, in that order (duplicate keys
# are not detected here)
sub DELETE
{
 my ($self, $key) = @_;
 
 return undef unless (exists $self->{PRIMARY} &&
                      exists $self->{SECONDARY});
 
 # make sure to delete reverse associations as well
 if (exists $self->{PRIMARY}->{$key})
 {
  
  foreach (keys %{$self->{SECONDARY}})
  {
   delete $self->{SECONDARY}->{$_}->{$key};
   delete $self->{SECONDARY}->{$_}
    unless scalar keys %{$self->{SECONDARY}->{$_}};
  }
  
  return delete $self->{PRIMARY}->{$key};
 }
 if (exists $self->{SECONDARY}->{$key})
 {
  foreach (keys %{$self->{PRIMARY}})
  {
   delete $self->{PRIMARY}->{$_}->{$key};
   delete $self->{PRIMARY}->{$_}
    unless scalar keys %{$self->{PRIMARY}->{$_}};
  }
  return delete $self->{SECONDARY}->{$key};
 }
}

删除函数略微有些复杂，因为我们还想删除正在删除的键的反向映射。因此，如果我们删除 a->b，那么我们也要除去 b->a（辅）映射，如果映射为空，还要除去映射的数组值。

清单 12. CLEAR() 函数

sub CLEAR
{
 my ($self, $key) = @_;
 %$self = ();                           # clear the whole hash
 return 1;
}

清除内部散列十分简单，而且我们可以继续使用该对象，因为 STORE() 中具有自动复活能力。

清单 13. FIRSTKEY() 和 NEXTKEY() 函数

sub FIRSTKEY
{
 my ($self) = @_;
 return undef unless (exists $self->{PRIMARY} &&
                      exists $self->{SECONDARY});
 return each %{$self->{PRIMARY}};
}
sub NEXTKEY
{
 my ($self, $lastkey) = @_;
 return undef unless (exists $self->{PRIMARY} &&
                      exists $self->{SECONDARY});
 return each %{$self->{PRIMARY}};
}

迭代器 FIRSTKEY() 和 NEXTKEY() 看似复杂，但实际上它们只是让 each() 这一 Perl 函数来完成所有的工作而已。

清单 14. secondary_keys() 函数

sub secondary_keys
{
 my ($self) = @_;
 
 return undef unless (exists $self->{PRIMARY} &&
                      exists $self->{SECONDARY});
 
 return keys %{$self->{SECONDARY}};
}

由于 FIRSTKEY() 和 NEXTKEY() 的常规 keys() 迭代只是对主键进行，因此 secondary_keys() 函数是为第二个映射提供的。

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结束语

遗憾的是，由于绑定的文件句柄过于复杂，所以无法在本文中介绍。但它确实能够让人神往，例如，通过写／读文件句柄，可以直接写／读数据库，或者在关闭文件时发送一封电子邮件。

将磁盘（文件）数据库绑定到散列是一个得到了深入讨论的主题。您可以阅读“perldoc DB_File”文档、查看 Programming Perl Third Edition一书中的相关章节，或者在线阅读众多教程中的某一篇（请参阅参考资料一节以获取一些资料的链接）。

即便如此，从我们这里所做的来看，您会发现绑定的变量十分有用，而且我鼓励您去深入了解众多处理绑定的变量的 CPAN 模块。您几乎肯定能够找到一个满足您需要的模块。

参考资料

您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的英文原文.
要按照本文所讲的来做，您应该有 Perl 5.05 或更高版本。在“综合 Perl 归档网络（Comprehensive Perl Archive Network）” — 即人们常说的 CPAN 上找到 Perl 源代码及大量其它内容。
同样是在 CPAN，您将找到您想要的所有 Perl 模块。
访问 Perl.com以获取更多 Perl 信息和相关参考资料。
如果您有兴趣了解更多关于绑定的变量的内容，请检出 Larry Wall、Tom Christiansen 和 Jon Orwant（O'Reilly & Associates，2000 年）合著的 Programming Perl Third Edition 。它是目前最优秀的 Perl 指南，介绍最新的 5.005 和 5.6.0。第 14 章涉及了绑定变量，是一份 优秀的参考资料。
模块：
在 developerWorksLinux 专区中找到更多为 Linux 开发人员提供的参考资料。

关于作者


		Teodor Zlatanov 于 1999 年从美国波士顿大学（Boston University）毕业，获得计算机工程硕士学位。他从 1992 年起就从事程序员的工作，使用了 Perl、Java、C 和 C++。他的兴趣是文本解析、三层客户机-服务器数据库体系结构、UNIX 系统管理、CORBA 和项目管理方面的开放源码工作。可以通过 tzz@iglou.com与 Teodor 联系。