Julia 入門教學

Julia 是什麼、誰在使用

Julia 由 Jeff Bezanson、Stefan Karpinski、Viral Shah 與 Alan Edelman 創造，2012 年公開。1.0 版於 2018 年推出，1.x 系列持續保持向下相容。Julia 的目標是解決「雙語言問題」：先用緩慢但容易的語言做原型，再把效能關鍵的部分改寫成 C 或 Fortran。

科學家、工程師與資料分析師使用 Julia 進行模擬、微分方程、最佳化、統計、機器學習與高效能運算。它的套件生態系涵蓋資料框架、繪圖、GPU 運算與自動微分。

安裝 Julia 並執行 Hello, world

建議使用 juliaup 安裝，它能在 Windows、macOS 與 Linux 上安裝並更新 Julia 版本（見 julialang.org/downloads）。安裝完成後，julia 會啟動 REPL，julia file.jl 則執行腳本。

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

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

在 REPL 中，按 ] 進入套件模式（例如 add DataFrames），按 ? 查詢某個名稱的說明，按 ; 進入 shell。按 Backspace 即可回到一般提示字元。

變數與基本型別

變數不需要宣告，但每個值都有具體的型別，可以用 typeof 檢視。需要時，你可以在函式引數與 struct 欄位上加入型別標註。

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 等 Unicode 名稱；在 REPL 與大多數編輯器中，輸入 \pi 再按 Tab 就能得到 π。

流程控制

區塊以關鍵字 end 結束；縮排只是為了可讀性。if、for 與 while 的用法與大多數語言相同，生成式則能一行建出陣列。

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 是包含兩端的範圍。函式或 if 區塊的最後一個運算式就是它的值，所以 sign_name(-2) 不必明確寫 return 就會回傳 "negative"。

函式

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]

位置引數寫在分號之前，關鍵字引數寫在分號之後。依慣例，名稱以 ! 結尾的函式會修改它的某個引數，例如 sort! 或 push!，而 sort 則會回傳新陣列。

陣列、元組與字典

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]

點語法稱為廣播（broadcasting）：f.(x) 會對每個元素套用 f，而 .+、.* 則逐元素運算。Julia 會把一連串帶點的運算融合成單一迴圈。

招牌特色：多重分派

一個 Julia 函式可以有許多方法。呼叫時，Julia 會依所有引數的型別挑選最具體的方法。這取代了類別方法：型別負責存放資料，行為則透過為它們定義方法來加入，甚至可以來自另一個套件。

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]

由於 Julia 會針對看到的引數型別編譯出專門化的函式版本，函式的第一次呼叫較慢（包含編譯時間），之後的呼叫就很快。如果欄位在建立後必須能改變，請使用 mutable struct。

錯誤處理

Julia 使用例外。可以丟出 ArgumentError 或 DomainError 等內建例外型別，或是定義自己的 struct 並繼承 Exception。tryparse 不會丟出例外，而是回傳 nothing。

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

完整的小程式：字詞頻率

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 依空白字元切開字串，get 對新字詞回傳預設值 0，collect 把字典轉成 word => count 配對的向量，by = last 則依次數排序。

接下來可以學什麼

• docs.julialang.org 上的官方 Julia 手冊，從「Getting Started」開始。
• julialang.org 的學習頁面，列出教學、書籍與課程。
• 在最佳化程式碼之前，先閱讀手冊的「Performance Tips」章節。
• 探索 DataFrames.jl、Plots.jl 與 DifferentialEquations.jl 等套件。