Elixir入門：初心者向けチュートリアル

Elixirとは何か、何に使うのか

Elixirは、José Valimが作り、2012年に最初にリリースされた動的な関数型言語です。Erlangの仮想マシンであるBEAM上で動くため、Erlangの軽量プロセス、耐障害性、分散システムへの対応を引き継ぎつつ、扱いやすい構文、マクロ、現代的なツールを加えています。

Elixirは、PhoenixフレームワークによるWebアプリケーションやAPI、チャットやライブダッシュボードのようなリアルタイム機能(Phoenix LiveView)、メッセージングシステム、データパイプライン、Nervesによる組み込み機器、Nxによる機械学習に使われています。多数の同時接続を処理し、一部が故障しても動き続けなければならないサービスに、多くの企業が採用しています。

Elixirのインストールとhello, worldの実行

Elixirはelixir-lang.orgからインストールします(Erlang/OTPも同時にインストールされるか、必要になります)。スクリプトの拡張子は.exsで、コンパイルされるプロジェクトのファイルは.exです。iexで対話シェルが起動します。

# hello.exs
IO.puts("Hello, world!")

elixir hello.exs
# Hello, world!
iex                      # interactive shell; type h(Enum.map) for help
mix new my_app           # create a new project with Mix, the build tool

コメントは#で始まります。関数の引数を囲むかっこは多くの場面で省略できるので、IO.puts "hi"も動きます。

基本の型とイミュータビリティ

Elixirのデータはすべてイミュータブル(変更不可)です。=で名前を束縛し直すと新しい値を指すだけで、古い値は変わりません。文字列は二重引用符で書くUTF-8のバイナリで、アトムはコロンで始まる名前付き定数です。

name = "Elixir"
year = 2012
IO.puts("#{name} since #{year}")    # Elixir since 2012
IO.puts(10 / 4)                     # 2.5 (always a float)
IO.puts(div(10, 4))                 # 2
IO.puts(rem(10, 4))                 # 2
IO.puts("ab" <> "cd")               # abcd (string concatenation)
IO.puts(String.length("héllo"))     # 5 (counts characters, not bytes)
IO.inspect(:ok)                     # :ok
IO.inspect(is_atom(true))           # true (booleans are atoms)

パターンマッチ

Elixirでは、=はマッチ演算子です。左辺がパターンで、右辺がそれに合えば、パターン中の変数が束縛されます。パターンマッチは、代入、case、関数の頭部、エラー処理など、あらゆる場面で使われます。

{:ok, value} = {:ok, 42}
IO.puts(value)                         # 42

[first | rest] = [1, 2, 3]
IO.inspect({first, rest})              # {1, [2, 3]}

%{name: n} = %{name: "Ann", age: 31}
IO.puts(n)                             # Ann

result = {:error, :not_found}
message =
  case result do
    {:ok, v} -> "got #{v}"
    {:error, reason} -> "failed: #{reason}"
  end
IO.puts(message)                       # failed: not_found

x = 1
^x = 1                                 # pin operator: match the current value

パターンが合わないと、ElixirはMatchErrorを発生させます。ピン演算子^は、変数を束縛し直さず「この変数の既存の値を使う」ことを意味します。

制御構文

Elixirにはcase、cond、if/unlessがあり、どれも値を返します。カウンターを書き換えるfor/whileループはなく、代わりに再帰、Enumモジュール、for内包表記を使います。

temp = 22
feel =
  cond do
    temp > 30 -> "hot"
    temp >= 15 -> "mild"
    true -> "cold"
  end
IO.puts(feel)                                   # mild

IO.puts(if(rem(temp, 2) == 0, do: "even", else: "odd"))  # even

squares = for n <- 1..5, rem(n, 2) == 1, do: n * n
IO.inspect(squares)                             # [1, 9, 25]

偽になるのはfalseとnilだけで、0や""を含めそれ以外はすべて真です。

関数・モジュール・パイプ演算子

名前付き関数は、defmoduleで定義するモジュールの中に置きます。関数は複数の節を持て、パターンマッチとガード(when)で選ばれます。無名関数はfn ... endと書き、ドットを付けて呼び出します。パイプ演算子|>は、ある式の結果を、次の呼び出しの第1引数として渡します。

defmodule Math do
  def factorial(0), do: 1
  def factorial(n) when n > 0, do: n * factorial(n - 1)

  def sign(n) when n < 0, do: :negative
  def sign(0), do: :zero
  def sign(_n), do: :positive
end

IO.puts(Math.factorial(5))          # 120
IO.inspect(Math.sign(-3))           # :negative

double = fn x -> x * 2 end
IO.puts(double.(21))                # 42 (note the dot)

"  Elixir is fun  "
|> String.trim()
|> String.upcase()
|> String.split()
|> IO.inspect()                     # ["ELIXIR", "IS", "FUN"]

関数は名前とアリティ(引数の数)で識別され、ドキュメントではString.split/1やMath.factorial/1のように書かれます。

コレクション：リスト・マップ・キーワードリスト・Enum

Enumモジュールは、あらゆる列挙可能なコレクションを扱い、map、filter、reduce、sort_by、group_byなどを提供します。マップは主要なキーと値の構造で、[size: 10, color: :red]のようなキーワードリストは、オプションの指定によく使われます。

nums = [5, 3, 8, 1]
IO.inspect(Enum.sort(nums))                      # [1, 3, 5, 8]
IO.inspect(Enum.map(nums, &(&1 * 10)))           # [50, 30, 80, 10]
IO.inspect(Enum.filter(nums, fn n -> n > 2 end)) # [5, 3, 8]
IO.puts(Enum.reduce(nums, 0, &+/2))              # 17

user = %{name: "Ann", age: 31}
older = %{user | age: 32}                        # update an existing key
IO.puts(user.age)                                # 31 (unchanged)
IO.puts(older.age)                               # 32
with_city = Map.put(user, :city, "Oslo")
IO.puts(with_city.city)                          # Oslo
IO.inspect(Map.get(user, :email, "none"))        # "none"

キャプチャ演算子&で、短い無名関数を作れます。&(&1 * 10)はfn x -> x * 10 endと同じ意味で、&+/2は引数2つの+関数を指します。

プロセスと並行処理

Elixirを代表する機能がBEAMプロセスです。独自のメモリを持つ、非常に軽量で分離された実行単位です。プロセス同士はメッセージの送信だけで通信し、1台のマシンで数十万のプロセスを動かせます。スーパーバイザーはクラッシュしたプロセスを再起動します。これがElixirの耐障害性の考え方「let it crash」の土台です。

parent = self()

spawn(fn ->
  send(parent, {:result, 6 * 7})
end)

receive do
  {:result, value} -> IO.puts("Got #{value}")   # Got 42
after
  1_000 -> IO.puts("timeout")
end

tasks = for n <- 1..3, do: Task.async(fn -> n * n end)
IO.inspect(Task.await_many(tasks))               # [1, 4, 9]

実際のアプリケーションでspawnを直接呼ぶことはまれです。Task、GenServer、Agent、SupervisorといったOTPの抽象化を使います。

エラー処理

Elixirらしい書き方では、想定内の失敗に{:ok, value}や{:error, reason}のようなタグ付きタプルを返し、caseやwithで処理します。File.read!/1のように名前が!で終わる関数は、代わりに例外を発生させます。例外はtry/rescueで捕捉できますが、あまり使われません。

case File.read("missing.txt") do
  {:ok, text} -> IO.puts(text)
  {:error, reason} -> IO.puts("Cannot read: #{reason}")   # Cannot read: enoent
end

with {a, ""} <- Integer.parse("40"),
     {b, ""} <- Integer.parse("2") do
  IO.puts(a + b)                                         # 42
else
  _ -> IO.puts("not a whole number")
end

try do
  String.to_integer("abc")
rescue
  e in ArgumentError -> IO.puts("Error: #{Exception.message(e)}")
end

withは複数のマッチをつなげ、最初にマッチしなかった時点で止めて、その値を返します。深くネストしたcase式を避けられます。

小さな完成プログラム：単語の出現頻度

このスクリプトは、テキスト中の単語を数え、よく出る上位3語を表示します。StringとEnumの関数で組み立てた、典型的なElixirのパイプラインです。

defmodule WordFreq do
  def top(text, n) do
    text
    |> String.downcase()
    |> String.split(~r/[^a-z']+/, trim: true)
    |> Enum.frequencies()
    |> Enum.sort_by(fn {word, count} -> {-count, word} end)
    |> Enum.take(n)
  end
end

"The cat and the dog. The dog sat, and the cat ran."
|> WordFreq.top(3)
|> Enum.each(fn {word, count} -> IO.puts("#{word}: #{count}") end)
# the: 4
# and: 2
# cat: 2

次に学ぶこと

• hexdocs.pmとelixir-lang.orgにある公式のGetting Startedガイド。
• HexDocs。Elixirと、すべてのHexパッケージのドキュメントが公開されています。
• Web開発のためのPhoenixフレームワークのガイド。
• コミュニティによる無料のカリキュラムElixir Schoolと、練習用のExercismのElixirトラック。