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Julia 备忘清单
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本备忘清单旨在快速理解 [Julia](https://mysql.com) 一份简单而粗略的语言概览，供您参考。
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入门
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### Julia 是什么？
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<!--rehype:wrap-class=row-span-3-->
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- **`Julia`** 是一种为科学计算而生的，开源、多平台、高性能的高级编程语言
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- **`Julia`** 有一个基于 LLVM 的 JIT 编译器，这让使用者无需编写底层的代码也能拥有像 C 与 FORTRAN 那样的性能。因为代码在运行中编译，你可以在 shell 或 REPL 中运行代码，这也是一种推荐的工作流程
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- **`Julia`** 是动态类型的。并且提供了为并行计算和分布式运算设计的多重派发机制
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- **`Julia`** 自带包管理器
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- **`Julia`** 有许多内置的数学函数，包括特殊函数 (例如：Gamma 函数)。并且支持开箱即用的复数运算
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- **`Julia`** 允许你通过类似 Lisp 的宏来自动生成代码
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- **`Julia`** 诞生于 2012 年
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### 赋值语句
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```julia
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answer = 42
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x, y, z = 1, [1:10; ], "A string"
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x, y = y, x # 交换 x, y
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```
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### 常量定义
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```julia
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const DATE_OF_BIRTH = 2012
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```
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### 行尾注释
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```julia
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i = 1 # 这是一行注释
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# 多行注释
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#= 这是另一行注释 =#
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```
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### 链式操作
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```julia
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x = y = z = 1 # 从右向左
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0 < x < 3 # true
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5 < x != y < 5 # false
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```
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### 函数定义
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```julia
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function add_one(i)
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return i + 1
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end
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```
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### 插入 LaTeX 符号
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```julia
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\delta + [Tab] # δ
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```
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### 运算符
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<!--rehype:wrap-class=row-span-2-->
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:- | :-
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:- | :-
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基本算数运算 | `+`，`-`，`*`，`/`
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幂运算 | `2^3` => 8
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除法 | `3/12` => 0.25
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反向除法 | `7\3 == 3/7` => true
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取余 | `x % y` 或 `rem(x,y)`
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取反 | `!true` => false
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等于 | `a == b`
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不等于 | `a != b` 或 `a ≠ b`
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小于与大于 | `<` 与 `>`
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小于等于 | `<=` 或 `≤`
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大于等于 | `>=` 或 `≥`
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逐元素运算(点运算) | `[1, 2, 3] .+ [1, 2, 3] == [2, 4, 6]` => true<br /> `[1, 2, 3] .* [1, 2, 3] == [1, 4, 9]` => true
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检测非数值(NaN) | `isnan(NaN)` => true <br />而不是 `NaN == NaN` => false
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三元运算符 | `a == b ? "Equal" : "Not equal"`
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短路 AND 和 OR 表达式 | `a && b` 和 `a \|\| b`
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对象等价 | `a === b`
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### shell/REPL 环境
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<!--rehype:wrap-class=col-span-2-->
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:- | :-
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:- | :-
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上一次运算的结果 | `ans`
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中断命令执行 | <kbd>Ctrl</kbd> + <kbd>C</kbd>
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清屏 | <kbd>Ctrl</kbd> + <kbd>L</kbd>
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运行程序文件 | `include("filename.jl")`
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查找 func 相关的帮助 | `?func`
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查找 func 的所有定义 | `apropos("func")`
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命令行模式 | `;`
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包管理模式 | `]`
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帮助模式 | `?`
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查找特殊符号输入方式 | `?☆ # "☆" can be typed by \bigwhitestar<tab>`
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退出特殊模式，返回到 REPL | 在空行上按 <kbd>Backspace</kbd>
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退出 REPL | `exit()` 或 <kbd>Ctrl</kbd> + <kbd>D</kbd>
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### 缺失值与空值
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:- | :-
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:- | :-
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空值(Null) | `nothing`
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缺失数据 | `missing`
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浮点数的非数值 | `NaN`
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滤除缺失值 | `collect(skipmissing([1, 2, missing])) == [1,2]`
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替换缺失值 | `collect((df[:col], 1))`
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检查是否有缺失值 | `ismissing(x)` 而不是 `x == missing`
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### 自我检查与反射
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:- | :-
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:- | :-
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类型 | `typeof(name)`
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类型检查 | `isa(name, TypeName)`
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列出子类型 | `subtypes(TypeName)`
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列出超类型 | `supertype(TypeName)`
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函数方法 | `methods(func)`
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即时编译的字节码 | `code_llvm(expr)`
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汇编代码 | `code_native(expr)`
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### 随机数
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<!--rehype:wrap-class=col-span-2-->
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:- | :-
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:- | :-
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设置随机数种子 | `Random.seed!(seed)`
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产生随机数 | `rand()` # 均匀分布 [0,1)<br/>`randn()` # 正态分布 (-Inf, Inf)
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产生特定分布的随机数 | `using Distributions`<br/>`my_dist = Bernoulli(0.2)` 举例<br/>`rand(my_dist)`
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以概率 p 从 A 中进行伯努利抽样 | `randsubseq(A, p)`
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随机重排 A 中的元素 | `shuffle(A)`
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许多随机数函数都需要 `using Random`
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### 异常处理
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<!--rehype:wrap-class=row-span-3-->
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```julia
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# 抛出异常 SomeExcep
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throw(SomeExcep())
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||
# 再次引发当前的异常
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rethrow()
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```
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定义新异常 NewExcep
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```julia
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struct NewExcep <: Exception
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v::String
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end
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Base.showerror(io::IO, e::NewExcep) = print(io, "A problem with $(e.v)!")
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throw(NewExcep("x"))
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# 抛出带文本的异常
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error(msg)
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```
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异常处理流程
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```julia
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try
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# 进行一些可能会失败的操作
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catch ex
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if isa(ex, SomeExcep)
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# 处理异常 SomeExcep
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elseif isa(ex, AnotherExcep)
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# 处理另一个异常 AnotherExcep
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else
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||
# 处理其余的异常
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||
end
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finally
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||
# 永远执行这些语句
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end
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```
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### 类型
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<!--rehype:wrap-class=row-span-4-->
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```julia
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# 类型注释
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var::TypeName
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# 类型声明
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struct Programmer
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name::String
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birth_year::UInt16
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fave_language::AbstractString
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end
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# 可变类型声明
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将 struct 替换为 mutable struct
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# 类型别名
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const Nerd = Programmer
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# 类型构造器
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methods(TypeName)
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# 类型实例
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me = Programmer("Ian", 1984, "Julia")
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me = Nerd("Ian", 1984, "Julia")
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# 子类型声明
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abstract type Bird end
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struct Duck <: Bird
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pond::String
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end
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# 参数化类型
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struct Point{T <: Real}
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x::T
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y::T
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end
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p = Point{Float64}(1,2)
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# 联合类型
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Union{Int, String}
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# 遍历类型层级
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supertype(TypeName) 和 subtypes(TypeName)
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# 默认的超类型
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Any
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# 所有字段
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fieldnames(TypeName)
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# 所有字段类型
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TypeName.types
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```
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### 标准库
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:- | :-
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:- | :-
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Random | `rand`, `randn`, `randsubseq`
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Statistics | `mean`, `std`, `cor`, `median`, `quantile`
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LinearAlgebra | `I`, `eigvals`, `eigvecs`, `det`, `cholesky`
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SparseArrays | `sparse`, `SparseVector`, `SparseMatrixCSC`
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Distributed | `@distributed`, `pmap`, `addprocs`
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Dates | `DateTime`, `Date`
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### 表达式
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<!--rehype:wrap-class=row-span-2-->
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使用引用 `:( ... )` 或块引用 `quote ... end` 可以创建一个表达式，就像 `parse(str)`，和 `Expr(:call, ...)`。
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```julia
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x = 1
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line = "1 + $x" # 一些代码
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expr = Meta.parse(line) # 生成一个 Expr 对象
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typeof(expr) == Expr # true
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dump(expr) # 打印生成抽象语法(AST)
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eval(expr) == 2 # 对 Expr 对象求值: true
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```
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||
Julia 具有同像性：程序被表示为语言本身的数据结构。 实际上 `Julia` 语言里的任何东西都是一个表达式 `Expr`。符号(`Symbols`)即驻留字符串 ，以冒号 `:` 为前缀。相对于其他类型来说，符号效率更高。它也经常用作标识符、字典的键或者数据表里的列名。符号不能进行拼接。
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### 输入/输出
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<!--rehype:wrap-class=row-span-3-->
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||
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读取流
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```julia
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stream = stdin
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for line in eachline(stream)
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||
# 做点啥
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||
end
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```
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读取文件
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```julia
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open(filename) do file
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for line in eachline(file)
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# 做点啥
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||
end
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||
end
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```
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读取/写入 CSV 文件
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```julia
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# 读取 CSV 文件
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using CSV
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data = CSV.File(filename)
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# 写入 CSV 文件
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||
[label](koajs.md)CSV.write(filename, data)
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```
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读取/保存 Julia 对象
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```julia
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using JLD
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# 保存 Julia 对象
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||
save(filename, "object_key", object, ...)
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# 读取 Julia 对象
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d = load(filename) # 返回对象的字典
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```
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读取/保存 HDF5
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```julia
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using HDF5
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# 保存 HDF5
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h5write(filename, "key", object)
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||
# 读取 HDF5
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h5read(filename, "key")
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```
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### 宏
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<!--rehype:wrap-class=row-span-2-->
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||
宏允许你在程序中自动生成代码（如：表达式）
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```julia
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# 定义
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macro macroname(expr)
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# 做点啥
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||
end
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```
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使用
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```julia
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macroname(ex1, ex2, ...) 或 @macroname ex1, ex2, ...
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```
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<!--rehype:className=wrap-text-->
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内置的宏
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```julia
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@assert # assert (单元测试)
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@which # 查看对特定参数使用的方法/查找函数所在的模块
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@time # 运行时间与内存分配统计
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@elapsed # 返回执行用时
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@allocated # 查看内存分配
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@async # 异步任务
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using Test
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@test # 精确相等
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@test x ≈ y # 近似相等 isapprox(x, y)
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using Profile
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@profile # 优化
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```
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<!--rehype:className=wrap-text-->
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||
创建 卫生宏 (hygienic macros)的规则：
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- 在宏的内部只通过 `local` 声明本地变量
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- 在宏的内部不使用 `eval`
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- 转义插值表达式以避免宏变大：`$(esc(expr))`
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### 并行计算
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<!--rehype:wrap-class=row-span-2-->
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||
并行计算相关的工具可以在标准库 `Distributed` 里找到
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```julia
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# 启动带 N 各 worker 的 REPL
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julia -p N
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# 可用的 worker 数量
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nprocs()
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# 添加 N 个 worker
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addprocs(N)
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# 查看所有 worker 的 pid
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for pid in workers()
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println(pid)
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end
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# 获得正在执行的 worker 的 id
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myid()
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# 移除 worker
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rmprocs(pid)
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# 在特定 pid 的 worker 上运行 f(args)
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r = remotecall(f, pid, args...)
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# 或:
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r = @spawnat pid f(args)
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...
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fetch(r)
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||
# 在特定 pid 的 worker 上运行 f(args) (更高效)
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||
remotecall_fetch(f, pid, args...)
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||
# 在任意 worker 上运行 f(args)
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||
r = @spawn f(args) ... fetch(r)
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# 在所有 worker 上运行 f(args)
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r = [@spawnat w f(args) for w in workers()] ... fetch(r)
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||
# 让表达式 expr 在所有 worker 上执行
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@everywhere expr
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# 并行化带规约函数 red 的循环
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||
sum = @distributed (red) for i in 1:10^6
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||
# 进行并行任务
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||
end
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||
# 将 f 用用到集合 coll 中的所有元素上
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||
pmap(f, coll)
|
||
```
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||
<!--rehype:className=wrap-text-->
|
||
|
||
### 数组
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||
<!--rehype:wrap-class=col-span-2 row-span-2-->
|
||
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||
:- | :-
|
||
:- | :-
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||
声明数组 | `arr = Float64[]`
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预分配内存 | `sizehint!(arr, 10^4)`
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||
访问与赋值 | `arr = Any[1,2]`<br/>`arr[1] = "Some text"`
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||
从 m 到 n 的子数组 | `arr[m:n]`
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n 个 `0.0` 填充的数组 | `zeros(n)`
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||
n 个 `1.0` 填充的数组 | `ones(n)`
|
||
n 个随机 Int8 填充的数组 | `rand(Int8, n)`
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||
用值 val 填充数组 | `fill!(arr, val)`
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||
弹出最后一个元素 | `pop!(arr)`
|
||
弹出第一个元素 | `popfirst!(a)`
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||
n 个 `#undef` 填充的数组 | `Vector{Type}(undef,n)`
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||
n 个从 `start` 到 `stop` 的等间距数 | `range(start,stop=stop,length=n)`
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||
将值 `val` 作为最后一个元素压入数组 | `push!(arr, val)`
|
||
将值 `val` 作为第一个元素压入数组 | `pushfirst!(arr, val)`
|
||
删除指定索引值的元素 | `deleteat!(arr, idx)`
|
||
数组排序 | `sort!(arr)`
|
||
将 `b` 连接到 `a` 后 | `append!(a,b)`
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||
转化为字符串，并以 delim 分隔 | `join(arr, delim)`
|
||
<!--rehype:className=left-align-->
|
||
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||
---
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||
|
||
```julia
|
||
# 数组比较
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||
a = [1:10;]
|
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b = a # b 指向 a
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a[1] = -99
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||
a == b # true
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||
# 复制元素(而不是地址)/深拷贝
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b = copy(a)
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||
b = deepcopy(a)
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||
# 检查值 val 是否在数组 arr 中
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||
in(val, arr) # 或
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||
val in arr
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||
# 改变维数
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||
reshape(1:6, 3, 2)' == [1 2 3; 4 5 6]
|
||
```
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||
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||
### 线性代数
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||
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||
:- | :-
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||
:- | :-
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||
单位矩阵 | `I`
|
||
定义矩阵 | `M = [1 0; 0 1]`
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||
矩阵维数 | `size(M)`
|
||
选出第 i 行 | `M[i, :]`
|
||
选出第 j 列 | `M[:, j]`
|
||
水平拼接 | `M = [a b] 或 M = hcat(a, b)`
|
||
竖直拼接 | `M = [a ; b]` 或 `M = vcat(a, b)`
|
||
矩阵转置 | `transpose(M)`
|
||
共轭转置 | `M'` 或 `adjoint(M)`
|
||
迹(trace) | `tr(M)`
|
||
行列式 | `det(M)`
|
||
秩(rank) | `rank(M)`
|
||
特征值 | `eigvals(M)`
|
||
特征向量 | `eigvecs(M)`
|
||
矩阵求逆 | `inv(M)`
|
||
解矩阵方程 `M*x == v` | `M\v` 比 `inv(M)*v` 更好
|
||
求 Moore-Penrose 伪逆 | `pinv(M)`
|
||
<!--rehype:className=left-align-->
|
||
|
||
控制流与循环
|
||
---
|
||
|
||
### 条件语句
|
||
|
||
```julia
|
||
if x < y
|
||
println("x is less than y")
|
||
elseif x > y
|
||
println("x is greater than y")
|
||
else
|
||
println("x is equal to y")
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
### for 循环
|
||
|
||
```julia
|
||
for i in 1:10
|
||
println(i)
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
### 嵌套循环
|
||
|
||
```julia
|
||
for i in 1:10, j = 1:5
|
||
println(i*j)
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
### 枚举
|
||
|
||
```julia
|
||
for (idx, val) in enumerate(arr)
|
||
println("the $idx-th element is $val")
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
### while 循环
|
||
|
||
```julia
|
||
while bool_expr
|
||
# 做点啥
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
### 退出循环
|
||
|
||
```julia {4}
|
||
julia> i = 0
|
||
julia> while true
|
||
global i += 1
|
||
i > 5 && break
|
||
println(i)
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
### 退出本次循环
|
||
|
||
```julia {2}
|
||
for i = 1:6
|
||
iseven(i) && continue
|
||
println(i)
|
||
end
|
||
```
|
||
|
||
数字相关
|
||
---
|
||
|
||
### 整数类型
|
||
|
||
`IntN` 和 `UIntN`, 且 `N ∈ {8, 16, 32, 64, 128}`, `BigInt`
|
||
|
||
### 浮点类型
|
||
|
||
`FloatN` 且 `N ∈ {16, 32, 64}`
|
||
`BigFloat`
|
||
|
||
### 类型的最大和最小值
|
||
|
||
```julia
|
||
typemin(Int8)
|
||
typemax(Int64)
|
||
```
|
||
|
||
### 复数类型
|
||
|
||
```julia
|
||
Complex{T<:Real}
|
||
```
|
||
|
||
### 虚数单位
|
||
|
||
```julia
|
||
im
|
||
```
|
||
|
||
### 机器精度
|
||
|
||
```julia
|
||
eps() # 等价于 eps(Float64)
|
||
```
|
||
|
||
### 圆整
|
||
|
||
```julia
|
||
round() # 浮点数圆整
|
||
round(Int, x) # 整数圆整
|
||
```
|
||
|
||
### 类型转换
|
||
|
||
```julia
|
||
# 尝试进行转换/可能会报错
|
||
convert(TypeName, val)
|
||
# 调用类型构造器转换
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||
TypeName(val)
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```
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### 全局常量
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```julia
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pi # 3.1415...
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π # 3.1415...
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im # real(im * im) == -1
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```
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### 更多常量
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```julia
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using Base.MathConstants
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```
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模块
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### 定义
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```julia
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module PackageName
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# 添加模块定义
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# 使用 export 让定义对外可见
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end
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```
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### 包含文件 filename.jl
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```julia
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include("filename.jl")
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```
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### 加载
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<!--rehype:wrap-class=row-span-2-->
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```julia
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using ModuleName # 导出所有名称
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# 仅导出 x, y
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using ModuleName: x, y
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# 仅导出 x, y
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using ModuleName.x, ModuleName.y:
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# 仅导出 ModuleName
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import ModuleName
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# 仅导出 x, y
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import ModuleName: x, y
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||
# 仅导出 x, y
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import ModuleName.x, ModuleName.y
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```
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`using` 和 `import` 只有一点区别：使用 `using` 时，你需要写 `function Foo.bar(..` 来给 `Foo` 模块的函数 `bar` 增添一个新方法； 而使用 `import Foo.bar` 时，只需写 `function bar(...` 就能达到同样的效果
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### 导出
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```julia
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# 得到模块导出名称的数组
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names(ModuleName)
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# 包含未导出的、弃用的
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# 和编译器产生的名称
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names(ModuleName, all::Bool)
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# 也显示从其他模块显式导入的名称
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names(ModuleName, all::Bool, imported::Bool)
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```
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<!--rehype:className=wrap-text-->
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包管理
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### 介绍
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一个程序包必须先[注册](https://github.com/JuliaRegistries/General)，然后才能在包管理器中看到它。在 Julia 1.0 中，有两种使用包管理器的方法：
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- 一是通过 `using Pkg` 导入 `Pkg` 模块，然后用它的函数管理其他包；
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- 或者在 REPL 中输入 `]`，然后按回车。进入特殊的交互式包管理模式。 (要从包管理模式返回 REPL，只需要在空行上按退格键 `BACKSPACE` 就行了)
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注意新的工具总是先添加到交互式模式中，然后才会加入 `Pkg` 模块
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### 在 Julia 会话中使用 Pkg 管理包
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:- | :-
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:- | :-
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列出已安装的包 | `Pkg.status()`
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更新所有包 | `Pkg.update()`
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安装包 | `Pkg.add("PackageName")`
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重新构建包 | `Pkg.build("PackageName")`
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使用包 | `using PackageName`
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删除包 | `Pkg.rm("PackageName")`
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<!--rehype:className=left-align-->
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### 交互式包管理模式
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:- | :-
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:- | :-
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添加包 | `add PackageName`
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删除包 | `rm PackageName`
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更新包 | `update PackageName`
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使用开发版本 | `dev PackageName` 或 `dev GitRepoUrl`
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返回普通发行版 | `free PackageName`
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<!--rehype:className=left-align-->
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另见
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- [快速入门一份简单而粗略的语言概览](https://cheatsheet.juliadocs.org/zh-cn/)
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