第 1 章：序幕（Prologue）

原文：Anil Madhavapeddy and Yaron Minsky, Real World OCaml: Functional Programming for the Masses, Second Edition, Chapter 1。维护者已确认本书为开源书籍，可翻译并发布用于学习研究。

1.1 为什么选择 OCaml？（Why OCaml?）

编程语言很重要。它们会影响你写出的代码在可靠性、安全性和效率方面的表现，也会影响代码被阅读、重构和扩展的难易程度。你掌握的语言还会改变你的思维方式，即使你没有使用这些语言，它们也会影响你设计软件的方式。

我们写这本书，是因为我们相信编程语言的重要性，也相信 OCaml 尤其值得学习。我们两人在学术生活和职业生涯中使用 OCaml 都已经超过 20 年，在这段时间里，我们逐渐认识到，它是构建复杂软件系统的强大工具。本书的目标，是通过清晰说明在真实世界中有效使用 OCaml 所需的知识，让更广泛的读者能够使用这个工具。

OCaml 的特别之处在于，它在编程语言设计空间中占据了一个恰到好处的位置。它结合了效率、表达力和实用性，而没有其他语言能以同样方式同时做到这几点。很大程度上，这是因为 OCaml 优雅地组合了一组在过去 60 年中发展出来的语言特性，其中包括：

• 用于自动内存管理的垃圾回收。这已经是现代高级语言中的常见特性。
• 一等函数。函数可以像普通值一样被传递，类似于 JavaScript、Common Lisp 和 C# 中看到的做法。
• 静态类型检查。它可以提高性能，并减少运行时错误数量，Java 和 C# 中也有类似机制。
• 参数多态。它让我们能够构建跨不同数据类型工作的抽象，类似于 Java、Rust、C# 中的泛型，以及 C++ 中的模板。
• 对不可变编程的良好支持，也就是不对数据结构进行破坏性更新的编程方式。这在 Scheme 等传统函数式语言中存在，也常见于从分布式大数据框架到用户界面工具包的各种系统中。
• 类型推断。你不必为程序中的每个变量标注类型；相反，类型会根据值的使用方式推断出来。C# 的隐式类型局部变量和 C++11 的 auto 关键字提供了有限形式的类似能力。
• 代数数据类型和模式匹配。它们用于定义和操作复杂数据结构，Scala、Rust 和 F# 中也能看到这些特性。

有些读者会熟悉并喜爱所有这些特性；对另一些读者来说，它们可能大多是新的。但大多数人至少会在自己用过的其他语言中见过其中一部分。正如本书后续将展示的那样，当这些特性全部出现在同一种语言中，并且能够彼此配合时，会产生一种改变编程体验的力量。

尽管这些思想很重要，但它们进入主流语言的程度仍然有限。即使它们进入了主流语言，例如 C# 中的一等函数，或 Java 中的参数多态，通常也会以受限且笨拙的形式出现。真正完整体现这些思想的语言，是 OCaml、F#、Haskell、Scala、Rust 和 Standard ML 这样的静态类型函数式编程语言。

在这一组优秀语言中，OCaml 之所以突出，是因为它在提供强大能力的同时保持了高度实用。OCaml 编译器采用直接明了的编译策略，不需要重度优化，也不需要动态即时编译（JIT）的复杂性，就能生成性能良好的代码。再加上 OCaml 的严格求值模型，程序的运行时行为也更容易预测。它的垃圾回收器是增量式的，可以避免与垃圾回收（GC）相关的大停顿；它也是精确的，意味着所有未被引用的数据都会被回收，这不同于许多引用计数式回收器。此外，OCaml 的运行时简单且高度可移植。

所有这些因素使 OCaml 成为一种很好的选择：它适合那些希望迈向更好编程语言，同时仍然想完成实际工作的程序员。

1.1.1 简史（A Brief History）

OCaml 于 1996 年由法国 INRIA 的 Xavier Leroy、Jérôme Vouillon、Damien Doligez 和 Didier Rémy 编写。它受到自 20 世纪 60 年代以来 ML 研究传统的启发，并且至今仍与学术界保持着深厚联系。

ML 最初是 LCF（Logic for Computable Functions）证明助手的元语言。LCF 由 Robin Milner 于 1972 年发布，最初在 Stanford，后来在 Cambridge 发展。为了让 LCF 更容易在不同机器上使用，ML 被实现为编译器；到 20 世纪 80 年代，它逐渐发展成了一个完整的独立系统。

Caml 的第一个实现出现于 1987 年。它由 Ascánder Suárez 创建，当时是 INRIA 由 Gérard Huet 领导的 Formel 项目的一部分，后来由 Pierre Weis 和 Michel Mauny 继续推进。1990 年，Xavier Leroy 和 Damien Doligez 构建了一个名为 Caml Light 的新实现，它基于字节码解释器，并带有快速的顺序垃圾回收器。在接下来的几年中，一些有用的库陆续出现，例如 Michel Mauny 的语法操作工具，这帮助 Caml 在教育和研究团队中得到推广。

Xavier Leroy 继续为 Caml Light 扩展新特性，最终产生了 1995 年发布的 Caml Special Light。这个版本加入了快速原生代码编译器，显著提升了可执行程序的效率，使 Caml 的性能能够与 C++ 等主流语言竞争。一个受 Standard ML 启发的模块系统也提供了强大的抽象设施，使构建更大规模的程序变得更容易。

现代 OCaml 出现于 1996 年，当时 Didier Rémy 和 Jérôme Vouillon 实现了一个强大而优雅的对象系统。这个对象系统值得注意之处在于，它能以静态类型安全的方式支持许多常见的面向对象惯用法，而同样的惯用法在 C++ 或 Java 等语言中需要运行时检查。2000 年，Jacques Garrigue 为 OCaml 扩展了若干新特性，例如多态方法、变体，以及带标签参数和可选参数。

过去二十多年中，OCaml 吸引了相当规模的用户群体。为了支持不断增长的商业与学术代码库，语言本身也持续改进。到 2012 年，OCaml 4.0 版本加入了广义代数数据类型（GADTs）和一等模块，以提高语言灵活性。此后，OCaml 保持了稳定的年度发布节奏；在本书第二版成书时，带有多核支持的 OCaml 5.0 已经近在眼前。OCaml 还为 x86_64、ARM、RISC-V 和 PowerPC 等最新 CPU 架构提供快速原生代码支持，因此在资源使用、可预测性和性能都很重要的系统中，OCaml 是一个很好的选择。

1.1.2 Base 标准库（The Base Standard Library）

无论语言本身多么优秀，仅有语言并不够。你还需要一组用于构建应用程序的库。OCaml 学习者常见的挫败感之一，是随编译器提供的标准库比较有限，只覆盖了通用标准库应有功能的一个子集。原因在于，这个标准库本质上并不是一个通用工具；它的根本作用是引导编译器自身启动，因此被有意保持得小巧且可移植。

好在开源软件世界中，没有什么会阻止人们编写替代库来补充编译器附带的标准库。Base 就是这样一个库，本书大部分内容都会使用它作为标准库。

Jane Street 是一家使用 OCaml 超过 20 年的公司。Base 中的代码最初是 Jane Street 为内部使用而开发的，但从一开始，它就以通用标准库为目标来设计。和 OCaml 语言本身一样，Base 的工程目标也围绕正确性、可靠性和性能展开。它也被设计成易于安装且高度可移植。因此，只要是 OCaml 支持的平台，Base 也都能工作，包括 UNIX、macOS、Windows 和 JavaScript。

Base 随一组语法扩展一起分发，这些扩展为 OCaml 提供了有用的新功能。还有一些额外的库被设计成与 Base 良好协作，包括 Core 和 Async。Core 是 Base 的扩展，包含大量新的数据结构和工具；Async 是一个并发编程库，适用于构建用户界面或网络应用时经常遇到的并发场景。所有这些库都以宽松的 Apache 2 许可证发布，允许在业余、学术和商业环境中自由使用。

1.1.3 OCaml 平台（The OCaml Platform）

Base 是一个全面且有效的标准库，但 OCaml 软件生态远不止于此。自 1996 年首次发布以来，一个庞大的程序员社区一直在使用 OCaml，并创造了许多有用的库和工具。本书会在示例展开过程中介绍其中一些库。

第三方库的安装和管理可以通过名为 opam 的包管理工具变得容易得多。本书后续会进一步解释 opam，但它构成了 OCaml 平台的基础。OCaml 平台是一组工具和库，与 OCaml 编译器一起，让你能够快速而有效地构建真实世界的应用程序。OCaml 平台的组成工具包括 dune 构建系统，以及用于集成 Visual Studio Code、Emacs 或 Vim 等常见编辑器的语言服务器。

我们还会使用 opam 安装 utop 命令行界面。这是一个现代交互式工具，支持命令历史、宏展开、模块补全以及其他便利功能，使使用 OCaml 变得愉快得多。本书会全程使用 utop，让你能够交互式地逐步运行示例。

相关链接：

• opam：https://opam.ocaml.org/
• dune：https://dune.build

1.2 关于本书（About This Book）

Real World OCaml 面向已经有传统编程语言经验，但未必了解静态类型函数式编程的程序员。取决于你的背景，本书讨论的许多概念可能是新的，包括高阶函数、不可变数据类型等传统函数式编程技术，也包括 OCaml 强大类型系统和模块系统的各个方面。

如果你已经了解 OCaml，本书也许仍会让你感到意外。Base 重新定义了大部分标准命名空间，以便更好地利用 OCaml 模块系统，并默认暴露一批强大且可复用的数据结构。较旧的 OCaml 代码仍然可以与 Base 互操作，但为了获得最大收益，你可能需要对它做一些调整。本书编写的所有新代码都会使用 Base；我们相信 Base 模型值得学习。它已经成功用于数百万行规模的大型代码库，并移除了用 OCaml 构建复杂应用程序的一大障碍。

只使用传统编译器标准库的代码永远都会存在，也有其他在线资源可以帮助你学习它的工作方式。Real World OCaml 关注的，是作者在个人经验中用于构建可扩展、健壮软件系统的技术。

1.2.1 你可以期待什么（What to Expect）

Real World OCaml 分为三个部分：

• 第 I 部分介绍语言本身，开篇是一段导览，用来快速勾勒这门语言。不要期待完全理解导览中的每一个细节；它的目的，是让你尝到语言许多不同方面的味道，而其中涉及的思想会在后续章节中更深入地解释。在介绍核心语言之后，第 I 部分会转向模块、函子和对象等更高级的特性。理解这些概念可能需要一些时间，但这很重要。即使超出 OCaml 的范围，当你转向其他现代语言时，这些思想也会让你站在更好的位置，因为许多现代语言都从 ML 中汲取了灵感。
• 第 II 部分在基础之上，围绕解决常见实际应用所需的有用工具和技术展开，从命令行解析到异步网络编程。一路上，你会看到第 I 部分中的一些概念如何被粘合进真实的库和工具，并以良好效果组合语言的不同特性。
• 第 III 部分讨论 OCaml 的运行时系统和编译器工具链。与其他一些语言实现相比，例如 Java 或 .NET 的 CLR，它们非常简单。阅读这一部分后，你将能够构建非常高性能的系统，或与 C 库交互。这里也会讨论使用 GNU gdb 等工具进行性能分析和调试的技术。

1.2.2 安装说明（Installation Instructions）

Real World OCaml 使用了我们在写作本书时开发的一些工具。其中一些工作带来了对 OCaml 编译器的改进，这意味着你需要确保拥有最新的开发环境。本书第二版使用的是 4.13.1 版本的编译器。安装过程大体上通过 opam 包管理器自动完成。关于如何设置它以及需要安装哪些包，可以参见安装页面。

我们使用的一些库，尤其是 Base，可以在任何 OCaml 支持的平台上工作，特别是也支持 Windows 和 JavaScript。本书第 I 部分的示例大多会坚持使用这类高度可移植的库。不过，有些使用到的库需要基于 UNIX 的操作系统，因此只适用于 macOS、Linux、FreeBSD、OpenBSD 和 Windows Subsystem for Linux（WSL）等系统。Core 和 Async 就是这里值得注意的例子。

本书并不是一本参考手册。我们的目标是讲授这门语言，以及能帮助你成为更高效 OCaml 程序员的库、工具和技术。但它不能替代 API 文档、OCaml 手册或 man 页面。书中提到的所有库和工具的文档都可以在 OCaml Packages 在线找到。

1.2.3 代码示例（Code Examples）

本书中的所有代码示例都以接近公有领域的许可证在线免费提供。欢迎你按照自己的需要，把任何代码片段复制并用于自己的代码中，无需署名，也没有其他使用限制。

本书全文以及所有示例代码都可以在 realworldocaml/book 找到。

1.3 贡献者（Contributors）

我们尤其感谢以下个人对 Real World OCaml 的改进：

• Jason Hickey 是本书第一版的共同作者，他对本修订版赖以建立的结构和内容起到了关键作用。
• Leo White 和 Jason Hickey 对第 13 章“对象（Objects）”和第 14 章“类（Classes）”的内容与示例做出了重要贡献。
• Jeremy Yallop 编写并记录了第 23 章“外部函数接口（Foreign Function Interface）”中描述的 Ctypes 库。
• Stephen Weeks 负责 Base 和 Core 背后大部分模块化架构，他的大量笔记构成了第 24 章“值的内存表示（Memory Representation of Values）”和第 25 章“理解垃圾回收器（Understanding the Garbage Collector）”的基础。随后，Sadiq Jaffer 刷新了垃圾回收器一章，以反映 OCaml 4.13 中的最新变化。
• Jérémie Dimino 是 utop 的作者；utop 是本书全程使用的交互式命令行界面。我们尤其感谢他推动了一些变更，使 utop 在本书语境中工作得更好。
• Thomas Gazagnaire、Thibaut Mattio、David Allsopp 和 Jonathan Ludlam 为 OCaml 平台一章做出了贡献，包括修复核心工具，以更好地帮助新用户安装。
• Ashish Agarwal、Christoph Troestler、Thomas Gazagnaire、Etienne Millon、Nathan Rebours、Charles-Edouard Lecat、Jules Aguillon、Rudi Grinberg、Sonja Heinze 和 Frederic Bour 致力于改进本书工具链。这使我们能够更新本书，以跟踪 OCaml 以及各种库和工具的变化。Ashish 还开发了新版且更完善的本书网站。
• Cambridge University Press 的 David Tranah、Clare Dennison、Anna Scriven 和 Suresh Kumar 对印刷版版式提供了意见。Airlie Anderson 绘制了封面插画，Christy Nyberg 对设计和版式提出了建议。
• 还有许多人共同为本书在线草稿提交了超过 4000 条评论。正是由于他们的努力，无数错误才得以被发现并修正。