Erlang中常用数据结构原理及其实现

一、Erlang 简介

Erlang 是一种函数式编程语言，它具有强大的并发和分布式编程能力。在 Erlang 中，常用的数据结构包括元组（tuple）、列表（list）、字典（dictionary）和集合（set）。这些数据结构在 Erlang 中被广泛应用于不同的场景中，例如存储和处理数据、通信和消息传递等。在本文中，我们将深入探讨这些常用数据结构的特点和实现方式。

二、数据结构

2.1、元组（Tuple）

元组是一种不可变的有序集合，通常用于存储固定数量的数据项。在 Erlang 中，元组用大括号 {} 表示，其中的元素之间用逗号 , 分隔。元组的元素可以是任何类型的数据，包括原子、整数、浮点数、字符串等。

2.1.1、示例：

Tuple = {1, atom, "hello", 3.14}.

2.1.2、实现：

Erlang 中的元组是不可变的，即一旦创建就不能修改。可以使用模式匹配来访问元组中的元素，也可以使用内置函数来操作元组，如 tuple_size/1 获取元组的大小，element/2 获取元组中指定位置的元素等。

Tuple = {1, atom, "hello", 3.14},
Size = tuple_size(Tuple),  % 获取元组大小
Element = element(2, Tuple).  % 获取第二个元素

2.2、列表（List）

列表是一种可变的有序集合，用于存储可变数量的数据项。在 Erlang 中，列表用方括号 [] 表示，其中的元素之间用逗号 , 分隔。列表的元素可以是任何类型的数据，也可以包含其他列表。

2.2.1、示例

List = [1, 2, 3, 4, 5].

2.2.2、实现

Erlang 中的列表是可变的，可以使用模式匹配和内置函数来操作列表。常见的列表操作包括添加元素、删除元素、查找元素、列表推导等。

List = [1, 2, 3, 4, 5],
Head = hd(List),  % 获取列表的第一个元素
Tail = tl(List),  % 获取列表的尾部
Length = length(List).  % 获取列表的长度

2.2.3、原理

下面举个例子，假设我们有这样一个列表：L = [1,2,ok,done]，现在暂时用这个简单的列表来作为示例，这个列表在进程内的示意图如下所示：

在构造一个新的列表的时候，如果新的列表引用了其他列表，那么引用了其他列表的元素本身就是一个 Cons 单元格。例如，我们有下面两个列表：

L1 = [1, 2, 3].
L2 = [L1, L1, L1]

L2 中存在 3 个对 L1 的引用，Erlang 可以很聪明地复用 L1，内存中实际上只有一份对 L1 的拷贝，如下图所示：

为了简洁，这个图相比前一个图简化了，不再严格表示栈和堆的相对位置，不再严格表示 Eterm 的标签。从图中可以看到，列表 L2 中的 3 个 cons 单元格都引用了 L1。

3. 字典（Dictionary）

在 Erlang 中，字典（Dictionary）是一种键值对的数据结构，也称为关联数组或映射。字典允许您通过键来检索和存储值，它是一种非常灵活和实用的数据结构。在 Erlang 中，字典通常使用 dict 模块来实现，该模块提供了一组函数来创建、操作和查询字典。

3.1、创建字典

在 Erlang 中创建字典可以使用 dict:new/0 函数，也可以使用 dict:from_list/1 函数从列表中创建。

Dict1 = dict:new().
Dict2 = dict:from_list([{key1, value1}, {key2, value2}, {key3, value3}]).

3.2、添加和删除键值对

使用 dict:store/3 函数可以向字典中添加新的键值对，使用 dict:erase/2 函数可以删除指定键的键值对。

NewDict = dict:store(Key, Value, Dict).
NewDict = dict:erase(Key, Dict).

3.3、获取值

可以使用 dict:find/2 函数通过键来获取字典中对应的值。

{ok, Value} = dict:find(Key, Dict).

3.4、检查键是否存在

使用 dict:is_key/2 函数可以检查字典中是否存在指定的键。

Result = dict:is_key(Key, Dict).

3.5、获取字典大小

可以使用 dict:size/1 函数获取字典的大小，即键值对的数量。

Size = dict:size(Dict).

3.6、遍历字典

Erlang 中遍历字典可以使用递归或者列表推导式等方式，也可以使用 dict:fold/3 函数。

Sum = dict:fold(fun(_, Value, Acc) -> Value + Acc end, 0, Dict).

3.7、合并字典

使用 dict:merge/3 函数可以将两个字典合并为一个新的字典。

MergedDict = dict:merge(Dict1, Dict2, fun(_Key, Val1, Val2) -> Val1 end).

3.8、获取所有键

使用 dict:keys/1 函数可以获取字典中所有的键。

Keys = dict:keys(Dict).

3.9、获取所有值

使用 dict:values/1 函数可以获取字典中所有的值。

Values = dict:values(Dict).

4. 集合（Set）

在 Erlang 中，集合（Set）是一种无序的数据结构，用于存储一组唯一的元素。集合的特点是元素的唯一性和无序性，这使得它适用于许多场景，例如去重、集合操作（如并集、交集、差集等）等。在 Erlang 中，集合通常使用 sets 模块来实现，该模块提供了一组丰富的函数来操作集合。

4.1、创建集合

在 Erlang 中创建集合通常使用 sets:from_list/1 函数，该函数接受一个列表作为参数，并返回一个集合。

Set = sets:from_list([1, 2, 3, 4, 5]).

4.2、添加元素

可以使用 sets:add/2 函数向集合中添加元素。

NewSet = sets:add(6, Set).

4.3、删除元素

使用 sets:del/2 函数可以从集合中删除指定元素。

NewSet = sets:del(3, Set).

4.4、判断元素是否存在

使用 sets:is_element/2 函数可以判断集合中是否存在指定元素。

Result = sets:is_element(3, Set).

4.5、获取集合大小

使用 sets:size/1 函数可以获取集合的大小。

Size = sets:size(Set).

Erlang 的 sets 模块还提供了一些集合操作函数，如并集、交集、差集等。

4.5、并集

使用 sets:union/2 函数可以计算两个集合的并集。

UnionSet = sets:union(Set1, Set2).

4.6、交集

使用 sets:intersection/2 函数可以计算两个集合的交集。

IntersectionSet = sets:intersection(Set1, Set2).

4.7、差集

使用 sets:subtract/2 函数可以计算两个集合的差集。

DifferenceSet = sets:subtract(Set1, Set2).

4.8、遍历集合

Erlang 中遍历集合可以使用递归或者列表推导式等方式，也可以使用 sets:fold/3 函数。

Sum = sets:fold(fun(Elem, Acc) -> Elem + Acc end, 0, Set).

结论

在 Erlang 中，元组、列表、字典和集合是常用的数据结构，它们分别适用于不同的场景和需求。掌握这些数据结构的特点和实现方式，有助于编写高效、可靠的 Erlang 代码。在实际开发中，根据具体的问题和需求，选择合适的数据结构来存储和处理数据，可以提高代码的可读性和性能。