clojure.spec库入门学习

骑猪看日落 2022-04-16 01:37 166阅读 0赞

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clojure是一门动态类型的语言，在类型检查方面并没有c++/java这种静态类型语言好用，所以多个模块之间进行接口参数传递时，由于接口文档设计不严谨等原因，总会发生接口参数类型错误，参数个数不正确等问题，给代码调试带来很大的挑战，因此在clojure中，对接口参数的进行类型和范围的检查是非常必要的。为此，我们找到了clojure.spec这个库（ [https://clojure.github.io/clojure/branch-master/clojure.spec-api.html][https_clojure.github.io_clojure_branch-master_clojure.spec-api.html] ），正好可以解决以上问题。

**1.clojure.spec库介绍：**

spec库主要是用来定义数据的结构和类型，并对其数据类型进行校验，并且可以根据spec生成对应的校验数据。要使用clojure.spec库，必须依赖最新的alpha版本的clojure：

[org.clojure/clojure "1.9.0-alpha10"]

因为clojure.spec库中有很多函数与clojure.core库中的函数重名（+、melt、def），所以不要使用use将整个库中的函数导入到当前命名空间下，而是要使用require，如下：

(require '[clojure.spec :as s])

**2.specification的定义：**

可以使用s/def函数来给一个specification定义名字，由s/def定义的specification必须是namespace keyword（其中关于命名空间的关键字在这篇博客中有介绍：[http://blog.csdn.net/zdplife/article/details/52304258][http_blog.csdn.net_zdplife_article_details_52304258] ）。最简单定义spec的方式就是：一个普通的谓词函数（接收一个参数，返回boolean类型）就可以作为一个specification：

;;定义一个specification，只有偶数才能满足条件
        (s/def ::even-val even?)
        ;;=> :my-clj.core/even-val

specification也可以是多个specification的组合，最简单的组合函数是：s/and和s/or。s/and必须满足and下的所有specification的条件，组合的specification才会校验成功，如下：

;; ::and-test表示大于10的偶数
        (s/def ::and-test (s/and 
                            ::even-val
                            #(> % 10)
                            ))
        ;;=> :my-clj.core/and-test

s/or函数表示只要满足其中一个条件则成立，但是s/or函数必须在每一个条件前面加一个:tag，这主要是为了在使用s/conform解析数据时，让数据更容易理解，便于确定是满足那个条件。s/or的用法如下：

;;如下在谓词int?和string?前加了tag，tag主要是为了告诉我们是满足哪个条件
        (s/def ::or-test
          (s/or :int-number int?            :string-number string?))
        ;;=> :my-clj.core/or-test

**3.常用解析spec的函数：**

使用spec来解析和判断数据的函数主要有:s/valid? ,s/conform ,s/explain ,s/explain-str ,s/explain-data:

*  s/valid?函数:

s/valid?用来判断给定数据是否满足当前的specification，如果满足则返回true，否则返回false：

(s/valid? ::even-val 10)
        ;;=> true
        (s/valid? ::even-val 11)
        ;;=> false

*  s/conform函数:

s/conform函数根据给定的specification和data参数，如果data符合specification校验条件，则根据specification的格式返回解析后的data，否则返回s/invalid：

;;如果满足条件则返回对应的解析数据，否则返回s/invalid
        (s/conform ::even-val 10)
        ;;=> 10
        (s/conform ::even-val 11)
        ;;=> :clojure.spec/invalid
    
        ;;conform并非一定会返回与原有数据一模一样的数据，它会根据对应specification会有所变化，比如or-test有:tag标志，所以返回的conform-data是一个vector,告诉我们“hello world”是满足string条件，而不是int条件。
        (s/conform ::or-test "hello world")
        ;;=> [:string-number "hello world"]

*  s/explain系列函数：
    
    根据explain的字面意思，很容易理解其作用是用来解释匹配失败的原因，共有三个相关函数：s/explain函数将错误信息的原因打印出来，并返回nil；s/explain-str会将s/explian打印出来的内容转换为字符串并返回；s/explain-data会将错误信息作为一个map数据结构返回。如果匹配成功，三个函数则都返回对应的success。

;;val=11不满足偶数的判断条件，根据返回结果，我们很容易找到数据校验错误的位置
        (s/explain ::even-val 11)
        ;;打印结果：val: 11 fails spec: :my-clj.core/even-val predicate: even?
        ;;=> nil
    
        (s/explain-str ::even-val 11)
        ;;=> "val: 11 fails spec: :my-clj.core/even-val predicate: even?\r\n"
    
        ;;explain-data会把错误信息作为一个map返回
        (s/explain-data ::even-val 11)
        ;;=> #:clojure.spec{:problems [{:path [], :pred even?, :val 11, :via [:my-clj.core/even-val], :in []}]}

**4.集合spec的生成：**

我们经常会遇到某个类型字段是属于某个集合中的任意一个元素，比如我们定义一个聚合字段类型，该字段类型可能是SUM/MAX/MIN/AVG/COUNT中的一个。为此我们可以定义该字段的spec如下：

;;因为clojure中的set可以当作谓词使用，所以我们很容易实现该字段spec的定义
        (s/def ::aggregator #{"SUM","AVG","CNT","CNTD","MAX","MIN"})
    
        (s/valid? ::aggregator "SUM")
        ;;=> true
        (s/valid? ::aggregator "SUM1")
        ;;=> false

**5.数组spec的生成：**

对于数组spec经常使用的生成函数主要有s/coll-of ,s/every ,s/tuple这三个函数：

*  s/coll-of函数：
    
    coll-of函数生成的数组spec的特点是：该数组中的所有元素必须满足同一个条件。
    
         (s/def ::even-val even?)
         ;;=> :my-clj.core/even-val
         ;;定义一个数组的spec，该数组中的所有元素都必须是偶数
         (s/def ::coll-of-test (s/coll-of ::even-val))
         ;;=> :my-clj.core/coll-of-test
        
         (s/valid? ::coll-of-test [2 4 6])
         ;;=> true
         (s/valid? ::coll-of-test [1 4 6])
         ;;=> false
         ;;其中数组为空也满足条件
         (s/valid? ::coll-of-test [])
         ;;=> true
    
    coll-of函数还接收可选的参数，用来对数组中的元素进行限制，可选参数有如下：

（1）:kind- - - -可以指定数组的类型，vector，set，list等；

（2）:count- - - -可以限定数组中元素的个数；

（3）:min-count- - - -限定数组中元素个数的最小值

（4）:max-count- - - -限定数组中元素个数的最大值

（5）:distinct- - - -数组没有重复的元素

（6）:into- - - -可以将数组的元素插入到\[\],(),\{\},\#\{\}这些其中之一，主要是为了改变conform函数的返回结果

关于以上可选参数使用举例如下：

;;定义一个数组的spec，其中所有元素是偶数，这个数组是vector类型，共有4个元素，元素不能重复，conform结果放在set中：
        (s/def ::coll-of-test (s/coll-of even? :kind vector? :count 4 :distinct true :into #{}))
        ;;=> :my-clj.core/coll-of-test
    
        ;;满足条件
        (s/valid? ::coll-of-test [2 4 6 8])
        ;;=> true
    
        ;;用explain函数解释错误的原因
        (s/explain ::coll-of-test [2 4 6 7])
        ;;In: [3] val: 7 fails spec: :my-clj.core/coll-of-test predicate: even?
    
        ;;list的数组不满足条件
        (s/explain ::coll-of-test '(2 4 6 8))
        ;;val: (2 4 6 8) fails spec: :my-clj.core/coll-of-test predicate: vector?
    
        ;;conform解析结果放在了一个set中
        (s/conform ::coll-of-test [2 4 6 8])
        ;;=> #{4 6 2 8}

*  s/every函数：

s/every函数与s/coll-of函数的作用相同，并且参数类型也相同。不同的是：在有不满足条件元素的情况下，s/coll-of函数依然会检查每一个元素并返回错误信息，而s/every函数只检查部分元素。所以s/every函数更适合数据量比较大的情况：

;;用s/coll-of和s/every函数定义作用相同的spec，都是检查数组是否全部为string类型的元素
        (s/def ::coll-of-test (s/coll-of string?))
        (s/def ::every-test (s/every string?))
    
        ;;在校验错误的情况下，every-test只返回前20个元素的错误信息
        (s/explain ::every-test (range 50))
        ;;In: [0] val: 0 fails spec: :my-clj.core/every-test predicate: string?
        ;;In: [1] val: 1 fails spec: :my-clj.core/every-test predicate: string?
        ;;...
        ;;In: [18] val: 18 fails spec: :my-clj.core/every-test predicate: string?
        ;;In: [19] val: 19 fails spec: :my-clj.core/every-test predicate: string?
    
        ;;而coll-of-test会返回所有不满足元素的校验错误信息
        (s/explain ::coll-of-test (range 50))
        ;;In: [0] val: 0 fails spec: :my-clj.core/coll-of-test predicate: string?
        ;;In: [1] val: 1 fails spec: :my-clj.core/coll-of-test predicate: string?
        ;;...
        ;;In: [48] val: 48 fails spec: :my-clj.core/coll-of-test predicate: string?
        ;;In: [49] val: 49 fails spec: :my-clj.core/coll-of-test predicate: string?

所以在需要确定所有元素错误信息的情况下使用coll-of，而在大量数据的情况下，为了保证效率，使用every函数效果会更好。

*  s/tuple函数：

tuple函数与前两个函数不同，它可以指定数组中每个元素的类型，检查要求更严格苛刻，适合数组元素比较少且元素类型不是全部相同的校验：

;;可以指定一个数组中三个元素，类型分别为int，string，vector
        (s/def ::tuple-test (s/tuple int? string? vector?))
    
        (s/valid? ::tuple-test [1 "hello" [1 2 3]])
        ;;=> true
        (s/valid? ::tuple-test [1 "hello" 3])
        ;;=> false

**6.map的spec生成：**

对于map的spec生成函数主要有s/map-of, s/every-kv ,s/keys ,s/keys\*

*  s/map-of函数：
    
    s/map-of函数与s/coll-of函数作用类似，前两个参数分别是对key和value进行校验的spec，后面还可以跟着可选参数，与coll-of的可选参数一样，有：kind/count/min-count/max-count/distinct/into，其中kind默认情况下是map，如果是list和vector，则校验数据是\[k v\]的数组，map-of的用法如下：

;;用map-of定义一个spec，类型是[[k v]],k是关键字，v是字符串
        (s/def ::map-of-test (s/map-of keyword? string? :kind vector?))
    
        ;;因为不是vector形式的map，所以校验失败
        (s/explain ::map-of-test {:a 1 :b 2})    val: {:a 1, :b 2} fails spec: :my-clj.core/map-of-test predicate: vector?
    
        ;;满足条件返回success
        (s/explain ::map-of-test [[:a "hello"] [:b "world"]])
        ;;Success!

*  s/every-kv函数：

s/every-kv函数与s/map-of的区别就像s/every与s/coll-of函数的区别，s/every-kv函数适合数据量比较大的情况下，其参数格式与map-of函数的参数格式完全一样，用法如下：

;;用every-kv定义一个spec，校验key为关键字，value为数字的map
        (s/def ::every-kv-test (s/every-kv keyword? number?))
    
        (s/explain ::every-kv-test {:a 1 :b 3.14})
        ;;Success!
        (s/explain ::every-kv-test {:a "hello" :b 3.14})
        ;;In: [:a 1] val: "hello" fails spec: :my-clj.core/every-kv-test at: [1] predicate: number?

*  s/keys函数：

s/keys函数比map-of函数和every-kv函数的限制更加强烈，可以分别对map中的每一个value的进行限制，但是map的key必须是关键字。 假设我们定义一个person的数据结构如下：

person：
            {            :name       string类型            :age        int类型且满足(< 0 age 100)            :gender     boolean类型            :spouse     （optional）string类型        
            }

以上定义的person数据结构有3个必选的字段（:name :age :gender）和1个可选择的字段（:spouse）,为了用keys定义person数据结构的spec，首先我们需要根据person的key（key必须是关键字）来定义其对应value的校验spec，如下：

;;所定义的spec的名字必须与person中key的名字的一致
        (s/def ::name string?)
        (s/def ::age (s/and int? #(<= 0 % 100)))
        (s/def ::gender boolean?)
        (s/def ::spouse string?)

接下来我们就可以使用keys来定义person的spec了，用keys定义spec时，需要使用:req和:opt来指定哪些字段是必须的，哪些字段可选的，如下：

;;所有必选字段和可选字段的spec都必须在[]中列出来
        (s/def ::person1 
          (s/keys :req [::name ::age ::gender]
                  :opt [::spouse]
                  ))

这时如果使用::person1去校验任意一个满足条件的person数据结构都会出错:

(s/explain ::person1 {:name "xiao ming"
                              :age 25
                              :gender false
                              :spouse "xiao hua"
                              })
        ;;val: {:name "xiao ming", :age 25, :gender false, :spouse "xiao hua"} fails spec: :my-clj.core/person1 predicate: (contains? % :my-clj.core/name)

根据以上错误信息我们可以找到原因，是因为该数据结构中不包含:my-clj.core/name字段。这是因为使用：req和：opt指定的字段要求被校验的map的key必须是namespace keyword，也就是说person数据结构中的key必须是namespace keyword。如下如果改成namespace keyword，返回结果则会成功：

(s/explain ::person1 {::name "xiao ming"
                              ::age 25
                              ::gender false
                              ::spouse "xiao hua"
                              })
        ;;Success!

如果必须使用namespace keyword做map中的key会给我们书写代码时带来很多困惑，幸好keys函数还提供了另外两个字段:req-un/opt-un用来替换对应的req/opt，这样数据结构中的key就可以是全局的keyword了，如下：

;;使用标志req-un/opt-un来区别必须字段和可选字段
        (s/def ::person2 
          (s/keys :req-un [::name ::age ::gender]              :opt-un [::spouse]
                  ))
    
        ;;这种情况下，普通的keyword就可以校验成功了。
        (s/explain ::person2 {:name "xiao ming"
                              :age 25
                              :gender false
                              :spouse "xiao hua"
                              })
        ;;Success!
        ;;因为:spouse字段是可选的，没有:spouse字段，依然会成功
        (s/explain ::person2 {:name "xiao ming"
                              :age 25
                              :gender false
                              })
        ;;Success!
        ;; :gender字段是必须有的，如果没有则会失败
        (s/explain ::person2 {:name "xiao ming"
                              :age 25
                              :spouse "xiao hua"
                              })
        ;;val: {:name "xiao ming", :age 25, :spouse "xiao hua"} fails spec: :my-clj.core/person2 predicate: (contains? % :gender)

需要注意的是，s/keys函数并没有对不在req和opt中字段作限制。也就是说，如果person数据中多了一些其它没必要的字段，校验也会成功：

;;虽然person的数据结构中多了一个color字段依然会成功，keys函数只会校验存在req和opt中的字段，会无视其他字段
        (s/explain ::person2 {:name "xiao ming"
                              :age 25
                              :gender false
                              :spouse "xiao hua"
                              :color "yellow"
                              })
        ;;Success!

这样设计的目的可能是给予程序员更多选择的机会吧，但是在项目中，多余的字段总是会给我们带来困惑和bug，所以为了将其字段限制在一定范围内，我们可以定义一个对其keys进行限制的谓词函数如下：

;;定义一个谓词函数，mmap中的每个key都必须在数组mkeys中
        (defn keys-validator? [mmap mkeys]
          (clojure.set/subset? (set (keys mmap)) (set mkeys)))

这样我们就可以使用keys-validator函数和s/keys一起对一个map数据结构的spec作更加严格的限制：

;;重新定义一个::person3,有三个必选字段和一个可选字段，以及所有字段必须在[:name :age :gender :spouse]中
        (s/def ::person3 
          (s/and
            (s/keys :req-un [::name ::age ::gender]                :opt-un [::spouse]
                    )
            (fn [x] (keys-validator? x [:name :age :gender :spouse]))
            ))
    
        ;;成功校验用例
        (s/explain ::person3 {:name "xiao ming"
                              :age 25
                              :gender false
                              :spouse "xiao hua"
                              })
        ;;Success!
    
        ;;如果多了一个color字段会失败，提示不满足keys-validator这个条件
        (s/explain ::person3 {:name "xiao ming"
                              :age 25
                              :gender false
                              :spouse "xiao hua"
                              :color "yellow"
                              })
        ;;val: {:name "xiao ming", :age 25, :gender false, :spouse "xiao hua", :color "yellow"} fails spec: :my-clj.core/person3 predicate: (fn [x] (keys-validator? x [:name :age :gender :spouse]))

*  s/keys\*函数：

s/keys函数与s/keys函数功能基本完全一致，只是验证的数据格式不一样而已，s/keys验证的是以\{key value\}形式表示的map，而s/keys验证的是数组形式\[key value\]，s/keys\*的使用如下：

;;以keys*定义一个::person4.格式与::person2一致，只是keys换成keys*
        (s/def ::person4 
          (s/keys* :req-un [::name ::age ::gender]              :opt-un [::spouse]
                  ))
    
        ;;这时候如果去校验一个{}形式的map会报错
        (s/explain ::person4
                   {:name "xiao ming"
                    :age 25
                    :gender false
                    :spouse "xiao hua"
                    })
    
        ;;In: [0] val: [:name "xiao ming"] fails spec: :my-clj.core/person4 at: [:clojure.spec/k] predicate: keyword?
    
        ;;如果解释数组形式的key value则返回success！
        (s/explain ::person4
                   [:name "xiao ming"
                    :age 25
                    :gender false
                    :spouse "xiao hua"]
                   )
        ;;Success!

**7.spec中空值（null）的处理：**

在定义数据接口时，经常遇到某个字段无值的特殊情况，在clojure空值用nil表示，对于某个可能为nil的字段的校验，clojure.spec中提供了s/nilable这个函数，接收一个spec参数，返回一个spec，表示该spec可以接收空值特殊情况：

;;如果我们给person2中name字段为nil，校验则会出错
        (s/explain ::person2
                   {:name nil
                    :age 25
                    :gender false
                    :spouse "xiao hua"
                    })
        ;;In: [:name] val: nil fails spec: :my-clj.core/name at: [:name] predicate: string?
    
        ;;当我们把定义::name时，容许其为nilable，
        (s/def ::name (s/nilable string?))
        (s/def ::person5 
          (s/keys :req-un [::name ::age ::gender]              :opt-un [::spouse]
                  ))
    
        ;;此时，即使name为nil，也会返回success
        (s/explain ::person2
                   {:name nil
                    :age 25
                    :gender false
                    :spouse "xiao hua"
                    })
        ;;Success!

所以我们可以根据接口定义要求合理的使用s/nilable来满足我们的需求。

**8.spec中命名冲突的处理：**

当我们使用"::"定义spec时，如果两个不同的数据结构下某个字段名字相同，就会发生命名冲突的问题，比如我们在定义person数据结构的基础上又定义了一个dog结构：

dog：
        {
            :name string?
            :age int?  (< 0 age 20)
        }

对于dog中的:name字段，可以和person中的:name字段用同一个spec，因为他们描述一致，但是对于两个结构中age字段的范围不一致，这样就会导致命名冲突的问题。因为clojure.spec库中每定义一个spec的名字必须是namespace keyword，而这正是使用namespace keyword而不使用keyword的原因，因为我们可以在定义spec时选择为其指定命名空间的方式定义（[http://blog.csdn.net/zdplife/article/details/52304258][http_blog.csdn.net_zdplife_article_details_52304258] ），其命名空间可以随意指定，该命名空间不一定存在也可以，因此就可以很好的解决该问题了：

;; ::person的定义
        (s/def :person/name string?)
        (s/def :person/age (s/and int? #(<= 0 % 100)))
        (s/def :person/gender boolean?)
        (s/def :person/spouse string?)
        (s/def ::person
          (s/keys :req-un [:person/name :person/age :person/gender]              :opt-un [:person/spouse]
                  ))
    
        ;; ::dog的定义
        (s/def :dog/name string?)
        (s/def :dog/age (s/and int? #(<= 0 % 20)))
        (s/def ::dog
          (s/keys :req-un [:dog/name :dog/age]
                  ))
    
        ;; 成功解决命名冲突，校验成功
        (s/explain ::person   {:name "xiao ming"
                               :age 25
                               :gender false
                               :spouse "xiao hua"
                               })
        ;; Success!
        (s/explain ::dog   {:name "du du"
                               :age 19
                               })
        ;; Success!

**9.正则表达式在spec中的使用：**

正则表达式在校验数据格式方面，有着其独特的优势。正好clojure中也有相关正则表达式的处理函数，经常使用的re-matches函数，可以构造一个正则表达式适配器（[http://blog.csdn.net/zdplife/article/details/51868499），而该正则表达式适配器正好可以当作clojure.spec使用：][http_blog.csdn.net_zdplife_article_details_51868499_clojure.spec]

;;定义一个匹配移动电话号码的正则表达式
        (def reg-phone-num #"^1(3[0-9]|4[57]|5[0-35-9]|7[01678]|8[0-9])\d{8}$")
    
        ;;使用上述定义的正则表达式来定义一个spec
        (s/def ::phone-num #(re-matches reg-phone-num %))
    
        ;;号码正确，返回success
        (s/explain ::phone-num "15977765765")
        ;;Success!
    
        ;;号码错误，错误信息返回
        (s/explain ::phone-num "14988865765")
        ;;val: "14988865765" fails spec: :my-clj.core/phone-num predicate: (re-matches reg-phone-num %)

**10.在接口函数中使用spec：**

在函数中使用spec，最好的方式是利用在定义函数时的的输入输出条件检查（pre-condition/post-condition）,假设我们定义一个接口函数transform-person，函数输入是一个person数据结构，输出是一个字符串，定义如下：

;;定义一个函数，用s/valid?函数对其输入和输出参数进行校验
        (defn transform-person [person]
          {:pre [(s/valid? ::person person)]       :post [(s/valid? string? %)]
           }
          (let [gender-str (if (:gender person) "a boy" "a girl")
                his-or-her (if (:gender person) "his" "her")
                ]
            (str (:name person) " is " gender-str ",and " his-or-her " age is " (:age person))
            ))
        ;;定义一个满足条件的person1
        (def person1
          {:name "xiao ming", :age 25, :gender false, :spouse "xiao hua"}
          )
        ;;定义一个不满足条件的person2
        (def person2
          {:name "liu wei", :age -10, :gender false, :spouse "xiao hua"}
          )
    
        ;;调用接口函数成功
        (transform-person person1)
        ;;=> "xiao ming is a girl,and her age is 25"
    
        ;;接口参数校验失败，抛出异常
        (transform-person person2)
        ;;AssertionError Assert failed: (s/valid? :my-clj.core/person person)  my-clj.core/transform-person (form-init1838625064402666216.clj:1)

**11.总结：**

本文主要介绍了clojure.spec库的一些基本函数的用法，其实这些函数对于普通的接口参数检测已经足够了，clojure.spec库中还有一些其它函数：alt函数/cat函数/melt函数，还可以使用正则中的\*/+/?等，这些函数也蛮好玩的，有兴趣的可以去试着玩一下，这边有介绍：[http://clojure.org/guides/spec][http_clojure.org_guides_spec]

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[https_clojure.github.io_clojure_branch-master_clojure.spec-api.html]: https://clojure.github.io/clojure/branch-master/clojure.spec-api.html
[http_blog.csdn.net_zdplife_article_details_52304258]: http://blog.csdn.net/zdplife/article/details/52304258
[http_blog.csdn.net_zdplife_article_details_51868499_clojure.spec]: http://blog.csdn.net/zdplife/article/details/51868499%EF%BC%89%EF%BC%8C%E8%80%8C%E8%AF%A5%E6%AD%A3%E5%88%99%E8%A1%A8%E8%BE%BE%E5%BC%8F%E9%80%82%E9%85%8D%E5%99%A8%E6%AD%A3%E5%A5%BD%E5%8F%AF%E4%BB%A5%E5%BD%93%E4%BD%9Cclojure.spec%E4%BD%BF%E7%94%A8%EF%BC%9A
[http_clojure.org_guides_spec]: http://clojure.org/guides/spec
[Link 2]: https://www.163yun.com/free?tag=M_tg_620_72
[10]: https://blog.csdn.net/jessicaiu/article/details/82684460
[Link 3]: https://www.jianshu.com/p/a0c538789dc0
[OpenSSL]: https://www.cnblogs.com/163yun/p/9924653.html