Julia 入门教程

Julia 是什么，谁在用

Julia 由 Jeff Bezanson、Stefan Karpinski、Viral Shah 和 Alan Edelman 创建，2012 年公开。1.0 版本于 2018 年发布，1.x 系列保持向后兼容。Julia 旨在解决“双语言问题”：先用缓慢但简单的语言做原型，再用 C 或 Fortran 重写性能关键部分。

科学家、工程师和数据分析师用 Julia 做仿真、微分方程、优化、统计、机器学习和高性能计算。它的包生态涵盖数据框、绘图、GPU 计算和自动微分。

安装 Julia 并运行 Hello, world

推荐使用 juliaup 安装，它可以在 Windows、macOS 和 Linux 上安装并更新 Julia 版本（见 julialang.org/downloads）。安装之后，julia 启动 REPL，julia file.jl 运行脚本。

# hello.jl
println("Hello, world!")

julia hello.jl
# Hello, world!
julia
# julia> 1 + 2
# 3

在 REPL 中，按 ] 进入包模式（例如 add DataFrames），按 ? 查看某个名字的帮助，按 ; 进入 shell。按退格键回到普通提示符。

变量与基本类型

变量不需要声明，但每个值都有具体类型，可以用 typeof 查看。需要时，你可以给函数参数和结构体字段加上类型标注。

name = "Ana"
age = 30
println("$name is $age, next year $(age + 1)")
# Ana is 30, next year 31
typeof(age)   # Int64
7 / 2         # 3.5  (always a float)
7 ÷ 2         # 3    (integer division, also div(7, 2))
2^10          # 1024

Julia 接受 π 或 α 这样的 Unicode 名字；在 REPL 和大多数编辑器中，输入 \pi 后按 Tab 即可得到 π。

控制流

代码块以关键字 end 结束；缩进只是为了便于阅读。if、for 和 while 的用法与大多数语言相同，推导式可以一行构建数组。

function sign_name(n)
    if n > 0
        "positive"
    elseif n < 0
        "negative"
    else
        "zero"
    end
end
for i in 1:3
    println("$i squared is $(i^2)")
end
squares = [x^2 for x in 1:5 if isodd(x)]   # [1, 9, 25]
x = 5
result = x > 3 ? "big" : "small"           # "big"

1:3 是包含两端的区间。函数或 if 块的最后一个表达式就是它的值，所以 sign_name(-2) 不需要显式的 return 就会返回 "negative"。

函数

add(x, y) = x + y                 # one-line definition
function greet(name = "world"; punctuation = "!")
    return "Hello, $name$punctuation"
end
greet()                           # "Hello, world!"
greet("Ana", punctuation = ".")   # "Hello, Ana."
square = x -> x^2                 # anonymous function
map(square, [1, 2, 3])            # [1, 4, 9]
v = [3, 1, 2]
sort!(v)                          # v is now [1, 2, 3]

位置参数在分号之前，关键字参数在分号之后。按照惯例，名字以 ! 结尾的函数会修改它的某个参数，例如 sort! 或 push!，而 sort 返回新数组。

数组、元组与字典

v = [10, 20, 30]
v[1]          # 10   (first element)
v[end]        # 30
push!(v, 40)
A = [1 2; 3 4]
A * A         # matrix product: [7 10; 15 22]
A .* A        # element-wise:   [1 4; 9 16]
v .+ 1        # broadcasting:   [11, 21, 31, 41]
sqrt.([1, 4, 9])   # [1.0, 2.0, 3.0]

点语法称为广播：f.(x) 把 f 应用到每个元素上，.+、.* 逐元素运算。Julia 会把一连串带点的运算融合成一个循环。

标志性特性：多重分派

一个 Julia 函数可以有许多方法。调用时，Julia 会根据所有参数的类型选择最具体的方法。这取代了类方法：类型保存数据，行为则通过为它们定义方法来添加，甚至可以在另一个包中添加。

abstract type Shape end
struct Circle <: Shape
    r::Float64
end
struct Rect <: Shape
    w::Float64
    h::Float64
end
area(c::Circle) = π * c.r^2
area(r::Rect) = r.w * r.h
shapes = [Circle(1.0), Rect(2.0, 3.0)]
println(round.(area.(shapes), digits = 2))   # [3.14, 6.0]

由于 Julia 会针对它见到的参数类型编译函数的专门版本，函数的第一次调用较慢（包含编译），之后的调用就很快。当字段在创建后需要改变时，请使用 mutable struct。

错误处理

Julia 使用异常。可以抛出 ArgumentError 或 DomainError 这样的内置异常类型，也可以自己定义一个继承 Exception 的结构体。tryparse 返回 nothing 而不是抛出异常。

function parse_age(s)
    n = tryparse(Int, s)
    n === nothing && throw(ArgumentError("not a number: $s"))
    n < 0 && throw(DomainError(n, "age must not be negative"))
    return n
end
try
    parse_age("abc")
catch e
    if e isa ArgumentError
        println("Error: ", e.msg)
    else
        rethrow()
    end
end
# Error: not a number: abc

一个完整的小程序：词频统计

text = "the cat and the hat and the bat"
counts = Dict{String,Int}()
for w in split(text)
    counts[w] = get(counts, w, 0) + 1
end
top = sort(collect(counts), by = last, rev = true)
for (word, n) in first(top, 2)
    println(word, " ", n)
end
# the 3
# and 2

split 按空白字符拆分字符串，get 为新单词返回默认值 0，collect 把字典转成 word => count 对的向量，by = last 则按次数排序。

接下来读什么

• docs.julialang.org 上的官方 Julia 手册，从“Getting Started”开始。
• julialang.org 的学习页面，列出了教程、书籍和课程。
• 优化代码之前，先读手册中的“Performance Tips”一章。
• 了解 DataFrames.jl、Plots.jl 和 DifferentialEquations.jl 等包。