4 实现工具

思路理清楚了，接下来就一个一个功能实现。在阐述实现功能的编程过程中，会延伸讲解编程思路、相关的Racket函数及相关知识点，力图达到在实践中的学习目的。

在编程实现过程中，首先实现图片操作功能，再通过图形界面组装图片操作功能来完成软件的实现。

使用Racket的一大好处就是可以在交互区输出图片，因此不用担心没有图形界面无法进行图片操作的调试的问题，这样就使调试变得非常方便。

接下来简单了解一下。

为了让代码结构清晰，采用MVC模式来组织程序。即分成主要的三类文件来分类存储代码：

1. 模型文件（M）：存放数据及操作数据的代码。把它命名为”puzzle-model.rkt“。

2. 布局文件（V）：存放视图布局相关代码。涉及两个文件，主框架布局文件及其对应的标识符文件，分别命名为”main-frame.rkt“及”main-frame-ids.rkt“。

3. 控制文件（C）：存放将模型数据与布局对象结合起来操作的代码。包括”main-frame-controler.rkt“及”puzzle-canvas-class.rkt“两个文件。

好。接下来来实现它们～

4.1 DrRacket编辑器

为了用Racket进行编程，需要使用Racket自带的DrRacket编辑器（当然任何其它的文本编辑器原则上都可以，看自己喜好）。

Racket可到官方网站（racket-lang.org）下载，安装包里包含有DrRacket编辑器，其界面如下：

界面第一排为菜单，第二排为工具栏，涵盖DrRacket的各项功能。

中间为工作区，分为上下两部分：上部工作区为代码编辑区，用于输入Racket代码；下部工作区为交互，可以实现直接输入Racket代码实现REPL。

界面底部为状态栏，显示当前语言使用状态、当前光标位置、内存收集的相关信息等。

通过在菜单[View]子菜单项内可设置代码编辑区的视图分割、行号显示等，以方便编辑。

Racket支持中文，在Racket中几乎可以任意使用中文，注释、名称、值等等。

4.2 Racket简单介绍

Racket编程涉及以下概念及内容：值、定义、表达式、标识、绑定、函数、条件分支、关键字、序对、列表、向量、散列表、集合、结构、迭代、递归、模块、合约、类、对象、宏、输入、输出、正则表达式、模式匹配、反射、动态求值、并发、并行等。以上这些概念有的是多数语言的共性，有些是Racket语言的特色。

为了快速对Racket语言有一个基本的了解，可以看《X分钟了解Racket》这一篇微信公众号（Racket社区，Racket_cn）文章。

下面我们来写一段经典的“Hello World!”代码：

#lang racket

(display "Hello World!")

更详细的内容可以在微信公众号Racket社区（Racket_cn）去看公众号文章，或者加入Racket社区微信群去参加有关Racket的讨论。

更完整的内容是Racket官方网站https://racket-lang.org/上的https://docs.racket-lang.org/reference/index.html（The Racket Reference（Racket参考））。

4.3 快速学习Racket

我们来模仿网上曾流行的“X分钟学习Y语言”的模式来分享一下Racket的基本内容。不能指望通过这么短的时间这么简单的内容能够学会Racket，但作为一种基本的了解，是可以尝试的。通过以下内容，如果是一个有其它语言编程经验的，应该可以入门编写基本的程序。

以下内容可以作为一个程序进行运行。

从这个程序，你既能了解到Racket语言程序的文件基本结构，也可以了解到Racket语言的基本程序结构。

;learnracket-zh.rkt

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

#lang racket ; 声明我们使用的语言

;;; 注释

;; 单行注释以分号开始

#| 块注释

可以横跨很多行而且...

#|

可以嵌套

|#

|#

;; S表达式注释忽略剩下的表达式

;; 在调试的时候会非常有用

#; (被忽略的表达式)

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 1. 原始数据类型和操作符

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;;; 数字

9999999999999999999999 ; 整数

#b111                  ; 二进制数字 => 7

#o111                  ; 八进制数字 => 73

#x111                  ; 十六进制数字 => 273

3.14                   ; 实数

6.02e+23

1/2                    ; 有理数

1+2i                   ; 复数

;; 函数调用写作(f x y z ...)

;; 在这里 f 是一个函数， x, y, z, ... 是参数

;; 如果你想创建一个列表数据的字面量, 使用 ' 来阻止它们

;; 被求值

'(+ 1 2) ; => (+ 1 2)

;; 接下来，是一些数学运算

(+ 1 1)  ; => 2

(- 8 1)  ; => 7

(* 10 2) ; => 20

(expt 2 3) ; => 8

(quotient 5 2) ; => 2

(remainder 5 2) ; => 1

(/ 35 5) ; => 7

(/ 1 3) ; => 1/3

(exact->inexact 1/3) ; => 0.3333333333333333

(+ 1+2i  2-3i) ; => 3-1i

;;; 布尔类型

#t ; 为真

#f ; 为假，#f 之外的任何值都是真

(not #t) ; => #f

(and 0 #f (error "doesn't get here")) ; => #f

(or #f 0 (error "doesn't get here"))  ; => 0

;;; 字符

#\A ; => #\A

#\λ ; => #\λ

#\u03BB ; => #\λ

;;; 字符串是字符组成的定长数组

"Hello, world!"

"Benjamin \"Bugsy\" Siegel"   ; \是转义字符

"Foo\tbar\41\x21\u0021\a\r\n" ; 包含C语言的转义字符，和Unicode

"λx:(μα.α→α).xx"              ; 字符串可以包含Unicode字符

;; 字符串可以相加

(string-append "Hello " "world!") ; => "Hello world!"

;; 一个字符串可以看做是一个包含字符的列表

(string-ref "Apple" 0) ; => #\A

;; format 可以用来格式化字符串

(format "~a can be ~a" "strings" "formatted")

;; 打印字符串非常简单

(printf "I'm Racket. Nice to meet you!\n")

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 2. 标识

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 你可以使用 define 定义一个标识

;; 标识的名字可以使用任何字符除了: ()[]{}",'`;#|\

(define some-var 5)

some-var ; => 5

;; 你也可以使用Unicode字符

(define ⊆ subset?)

(⊆ (set 3 2) (set 1 2 3)) ; => #t

;; 访问未赋值的标识会引发一个异常

; x ; => x: undefined ...

;; 本地绑定: `me' 被绑定到 "Bob"，并且只在 let 中生效

(let ([me "Bob"])

"Alice"

me) ; => "Bob"

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 3. 结构和集合

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 结构体

(struct dog (name breed age))

(define my-pet

(dog "lassie" "collie" 5))

my-pet ; => #<dog>

(dog? my-pet) ; => #t

(dog-name my-pet) ; => "lassie"

;;; 对 (不可变的)

;; `cons' 返回对, `car' 和 `cdr' 从对中提取第1个

;; 和第2个元素

(cons 1 2) ; => '(1 . 2)

(car (cons 1 2)) ; => 1

(cdr (cons 1 2)) ; => 2

;;; 列表

;; 列表由链表构成, 由 `cons' 的结果

;; 和一个 `null' (或者 '()) 构成，后者标记了这个列表的结束

(cons 1 (cons 2 (cons 3 null))) ; => '(1 2 3)

;; `list' 给列表提供了一个非常方便的可变参数的生成器

(list 1 2 3) ; => '(1 2 3)

;; 一个单引号也可以用来表示一个列表字面量

'(1 2 3) ; => '(1 2 3)

;; 仍然可以使用 `cons' 在列表的开始处添加一项

(cons 4 '(1 2 3)) ; => '(4 1 2 3)

;; `append' 函数可以将两个列表合并

(append '(1 2) '(3 4)) ; => '(1 2 3 4)

;; 列表是非常基础的类型，所以有*很多*操作列表的方法

;; 下面是一些例子:

(map add1 '(1 2 3))          ; => '(2 3 4)

(map + '(1 2 3) '(10 20 30)) ; => '(11 22 33)

(filter even? '(1 2 3 4))    ; => '(2 4)

(count even? '(1 2 3 4))     ; => 2

(take '(1 2 3 4) 2)          ; => '(1 2)

(drop '(1 2 3 4) 2)          ; => '(3 4)

;;; 向量

;; 向量是定长的数组

#(1 2 3) ; => '#(1 2 3)

;; 使用 `vector-append' 方法将2个向量合并

(vector-append #(1 2 3) #(4 5 6)) ; => #(1 2 3 4 5 6)

;;; Set(翻译成集合也不太合适，所以不翻译了..)

;; 从一个列表创建一个Set

(list->set '(1 2 3 1 2 3 3 2 1 3 2 1)) ; => (set 1 2 3)

;; 使用 `set-add' 增加一个成员

;; (函数式特性: 这里会返回一个扩展后的Set，而不是修改输入的值)

(set-add (set 1 2 3) 4) ; => (set 1 2 3 4)

;; 使用 `set-remove' 移除一个成员

(set-remove (set 1 2 3) 1) ; => (set 2 3)

;; 使用 `set-member?' 测试成员是否存在

(set-member? (set 1 2 3) 1) ; => #t

(set-member? (set 1 2 3) 4) ; => #f

;;; 散列表

;; 创建一个不变的散列表 (可变散列表的例子在下面)

(define m (hash 'a 1 'b 2 'c 3))

;; 根据键取得值

(hash-ref m 'a) ; => 1

;; 获取一个不存在的键是一个异常

; (hash-ref m 'd) => 没有找到元素

;; 你可以给不存在的键提供一个默认值

(hash-ref m 'd 0) ; => 0

;; 使用 `hash-set' 来扩展一个不可变的散列表

;; (返回的是扩展后的散列表而不是修改它)

(define m2 (hash-set m 'd 4))

m2 ; => '#hash((b . 2) (a . 1) (d . 4) (c . 3))

;; 记住，使用 `hash` 创建的散列表是不可变的

m ; => '#hash((b . 2) (a . 1) (c . 3))  <-- no `d'

;; 使用 `hash-remove' 移除一个键值对 (函数式特性，m并不变)

(hash-remove m 'a) ; => '#hash((b . 2) (c . 3))

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 3. 函数

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 使用 `lambda' 创建函数

;; 函数总是返回它最后一个表达式的值

(lambda () "Hello World") ; => #<procedure>

;; 也可以使用 Unicode 字符 `λ'

(λ () "Hello World")     ; => 同样的函数

;; 使用括号调用一个函数，也可以直接调用一个 lambda 表达式

((lambda () "Hello World")) ; => "Hello World"

((λ () "Hello World"))      ; => "Hello World"

;; 将函数赋值为一个标识

(define hello-world (lambda () "Hello World"))

(hello-world) ; => "Hello World"

;; 你可以使用函数定义的语法糖来简化代码

(define (hello-world2) "Hello World")

;; `()`是函数的参数列表

(define hello

(lambda (name)

(string-append "Hello " name)))

(hello "Steve") ; => "Hello Steve"

;; 同样的，可以使用语法糖来定义:

(define (hello2 name)

(string-append "Hello " name))

;; 你也可以使用可变参数， `case-lambda'

(define hello3

(case-lambda

[() "Hello World"]

[(name) (string-append "Hello " name)]))

(hello3 "Jake") ; => "Hello Jake"

(hello3) ; => "Hello World"

;; ... 或者给参数指定一个可选的默认值

(define (hello4 [name "World"])

(string-append "Hello " name))

;; 函数可以将多余的参数放到一个列表里

(define (count-args . args)

(format "You passed ~a args: ~a" (length args) args))

(count-args 1 2 3) ; => "You passed 3 args: (1 2 3)"

;; ... 也可以使用不带语法糖的 `lambda' 形式:

(define count-args2

(lambda args

(format "You passed ~a args: ~a" (length args) args)))

;; 你可以混用两种用法

(define (hello-count name . args)

(format "Hello ~a, you passed ~a extra args" name (length args)))

(hello-count "Finn" 1 2 3)

; => "Hello Finn, you passed 3 extra args"

;; ... 不带语法糖的形式：

(define hello-count2

(lambda (name . args)

(format "Hello ~a, you passed ~a extra args" name (length args))))

;; 使用关键字

(define (hello-k #:name [name "World"] #:greeting [g "Hello"] . args)

(format "~a ~a, ~a extra args" g name (length args)))

(hello-k)                 ; => "Hello World, 0 extra args"

(hello-k 1 2 3)           ; => "Hello World, 3 extra args"

(hello-k #:greeting "Hi") ; => "Hi World, 0 extra args"

(hello-k #:name "Finn" #:greeting "Hey") ; => "Hey Finn, 0 extra args"

(hello-k 1 2 3 #:greeting "Hi" #:name "Finn" 4 5 6)

; => "Hi Finn, 6 extra args"

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 4. 判断是否相等

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 判断数字使用 `='

(= 3 3.0) ; => #t

(= 2 1) ; => #f

;; 判断对象使用 `eq?'

(eq? 3 3) ; => #t

(eq? 3 3.0) ; => #f

(eq? (list 3) (list 3)) ; => #f

;; 判断集合使用 `equal?'

(equal? (list 'a 'b) (list 'a 'b)) ; => #t

(equal? (list 'a 'b) (list 'b 'a)) ; => #f

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 5. 控制结构

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;;; 条件判断

(if #t               ; 测试表达式

"this is true"   ; 为真的表达式

"this is false") ; 为假的表达式

; => "this is true"

;; 注意, 除 `#f` 之外的所有值都认为是真

(member 'Groucho '(Harpo Groucho Zeppo)) ; => '(Groucho Zeppo)

(if (member 'Groucho '(Harpo Groucho Zeppo))

'yep

'nope)

; => 'yep

;; `cond' 会进行一系列的判断来选择一个结果

(cond [(> 2 2) (error "wrong!")]

[(< 2 2) (error "wrong again!")]

[else 'ok]) ; => 'ok

;;; 模式匹配

(define (fizzbuzz? n)

(match (list (remainder n 3) (remainder n 5))

[(list 0 0) 'fizzbuzz]

[(list 0 _) 'fizz]

[(list _ 0) 'buzz]

[_          #f]))

(fizzbuzz? 15) ; => 'fizzbuzz

(fizzbuzz? 37) ; => #f

;;; 循环

;; 循环可以使用递归(尾递归)

(define (loop i)

(when (< i 10)

(printf "i=~a\n" i)

(loop (add1 i))))

(loop 5) ; => i=5, i=6, ...

;; 类似的，可以使用 `let` 定义

(let loop ((i 0))

(when (< i 10)

(printf "i=~a\n" i)

(loop (add1 i)))) ; => i=0, i=1, ...

;; 看上面的例子怎么增加一个新的 `loop' 形式, 但是 Racket 已经有了一个非常

;; 灵活的 `for' 了:

(for ([i 10])

(printf "i=~a\n" i)) ; => i=0, i=1, ...

(for ([i (in-range 5 10)])

(printf "i=~a\n" i)) ; => i=5, i=6, ...

;;; 其他形式的迭代

;; `for' 允许在很多数据结构中迭代:

;; 列表, 向量, 字符串, Set, 散列表, 等...

(for ([i (in-list '(l i s t))])

(displayln i))

(for ([i (in-vector #(v e c t o r))])

(displayln i))

(for ([i (in-string "string")])

(displayln i))

(for ([i (in-set (set 'x 'y 'z))])

(displayln i))

(for ([(k v) (in-hash (hash 'a 1 'b 2 'c 3 ))])

(printf "key:~a value:~a\n" k v))

;;; 更多复杂的迭代

;; 并行扫描多个序列 (遇到长度小的就停止)

(for ([i 10] [j '(x y z)]) (printf "~a:~a\n" i j))

; => 0:x 1:y 2:z

;; 嵌套循环

(for* ([i 2] [j '(x y z)]) (printf "~a:~a\n" i j))

; => 0:x, 0:y, 0:z, 1:x, 1:y, 1:z

;; 带有条件判断的 `for`

(for ([i 1000]

#:when (> i 5)

#:unless (odd? i)

#:break (> i 10))

(printf "i=~a\n" i))

; => i=6, i=8, i=10

;;; 更多的例子帮助你加深理解..

;; 和 `for' 循环非常像 -- 收集结果

(for/list ([i '(1 2 3)])

(add1 i)) ; => '(2 3 4)

(for/list ([i '(1 2 3)] #:when (even? i))

i) ; => '(2)

(for/list ([i 10] [j '(x y z)])

(list i j)) ; => '((0 x) (1 y) (2 z))

(for/list ([i 1000] #:when (> i 5) #:unless (odd? i) #:break (> i 10))

i) ; => '(6 8 10)

(for/hash ([i '(1 2 3)])

(values i (number->string i)))

; => '#hash((1 . "1") (2 . "2") (3 . "3"))

;; 也有很多其他的内置方法来收集循环中的值:

(for/sum ([i 10]) (* i i)) ; => 285

(for/product ([i (in-range 1 11)]) (* i i)) ; => 13168189440000

(for/and ([i 10] [j (in-range 10 20)]) (< i j)) ; => #t

(for/or ([i 10] [j (in-range 0 20 2)]) (= i j)) ; => #t

;; 如果需要合并计算结果, 使用 `for/fold'

(for/fold ([sum 0]) ([i '(1 2 3 4)]) (+ sum i)) ; => 10

;; (这个函数可以在大部分情况下替代普通的命令式循环)

;;; 异常

;; 要捕获一个异常，使用 `with-handlers' 形式

(with-handlers ([exn:fail? (lambda (exn) 999)])

(+ 1 "2")) ; => 999

(with-handlers ([exn:break? (lambda (exn) "no time")])

(sleep 3)

"phew") ; => "phew", 如果你打断了它，那么结果 => "no time"

;; 使用 `raise' 抛出一个异常后者其他任何值

(with-handlers ([number?    ; 捕获抛出的数字类型的值

identity]) ; 将它们作为普通值

(+ 1 (raise 2))) ; => 2

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 6. 可变的值

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;; 使用 `set!' 给一个已经存在的标识赋一个新值

(define n 5)

(set! n (add1 n))

n ; => 6

;; 给那些明确地需要变化的值使用 `boxes` (在其他语言里类似指针

;; 或者引用)

(define n* (box 5))

(set-box! n* (add1 (unbox n*)))

(unbox n*) ; => 6

;; 很多 Racket 诗句类型是不可变的 (对，列表，等)，有一些既是可变的

;; 又是不可变的 (字符串，向量，散列表

;; 等...)

;; 使用 `vector' 或者 `make-vector' 创建一个可变的向量

(define vec (vector 2 2 3 4))

(define wall (make-vector 100 'bottle-of-beer))

;; 使用 `vector-set!` 更新一项

(vector-set! vec 0 1)

(vector-set! wall 99 'down)

vec ; => #(1 2 3 4)

;; 创建一个空的可变散列表，然后操作它

(define m3 (make-hash))

(hash-set! m3 'a 1)

(hash-set! m3 'b 2)

(hash-set! m3 'c 3)

(hash-ref m3 'a)   ; => 1

(hash-ref m3 'd 0) ; => 0

(hash-remove! m3 'a)

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 7. 模块

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;; 模块让你将你的代码组织为多个文件，成为可重用的模块，

;; 在这里，我们使用嵌套在本文的整个大模块

;; 里的子模块(从 "#lang" 这一行开始)

(module cake racket/base ; 基于 racket/base 定义一个 `cake` 模块

(provide print-cake) ; 这个模块导出的函数

(define (print-cake n)

(show "   ~a   " n #\.)

(show " .-~a-. " n #\|)

(show " | ~a | " n #\space)

(show "---~a---" n #\-))

(define (show fmt n ch) ; 内部函数

(printf fmt (make-string n ch))

(newline)))

;; 使用 `require` 从模块中得到所有 `provide` 的函数

(require 'cake) ; 这里的 `'`表示是本地的子模块

(print-cake 3)

; (show "~a" 1 #\A) ; => 报错, `show' 没有被导出，不存在

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;; 8. 类和对象

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;; 创建一个 fish% 类(%是给类绑定用的)

(define fish%

(class object%

(init size) ; 初始化的参数

(super-new) ; 父类的初始化

;; 域

(define current-size size)

;; 公共方法

(define/public (get-size)

current-size)

(define/public (grow amt)

(set! current-size (+ amt current-size)))

(define/public (eat other-fish)

(grow (send other-fish get-size)))))

;; 创建一个 fish% 类的示例

(define charlie

(new fish% [size 10]))

;; 使用 `send' 调用一个对象的方法

(send charlie get-size) ; => 10

(send charlie grow 6)

(send charlie get-size) ; => 16

;; `fish%' 是一个普通的值，我们可以用它来混入

(define (add-color c%)

(class c%

(init color)

(super-new)

(define my-color color)

(define/public (get-color) my-color)))

(define colored-fish% (add-color fish%))

(define charlie2 (new colored-fish% [size 10] [color 'red]))

(send charlie2 get-color)

;; 或者，不带名字

(send (new (add-color fish%) [size 10] [color 'red]) get-color)

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;; 9. 宏

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;; 宏让你扩展这门语言的语法

;; 让我们定义一个while循环

(define-syntax-rule (while condition body ...)

(let loop ()

(when condition

body ...

(loop))))

(let ([i 0])

(while (< i  10)

(displayln i)

(set! i (add1 i))))

;; 宏是安全的，你不能修改现有的标识

(define-syntax-rule (swap! x y) ; !表示会修改

(let ([tmp x])

(set! x y)

(set! y tmp)))

(define tmp 2)

(define other 3)

(swap! tmp other)

(printf "tmp = ~a; other = ~a\n" tmp other)

;; 标识 `tmp` 被重命名为 `tmp_1`

;; 避免名字冲突

;; (let ([tmp_1 tmp])

;;   (set! tmp other)

;;   (set! other tmp_1))

;; 但它们仍然会导致错误代码，比如:

(define-syntax-rule (bad-while condition body ...)

(when condition

body ...

(bad-while condition body ...)))

;; 这个宏会挂掉，它产生了一个无限循环，如果你试图去使用它

;; 编译器会进入死循环

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 10. 合约

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

;; 合约限制标识从模块中导入

(module bank-account racket

(provide (contract-out

[deposit (-> positive? any)] ; 数量一直是正值

[balance (-> positive?)]))

(define amount 0)

(define (deposit a) (set! amount (+ amount a)))

(define (balance) amount)

)

(require 'bank-account)

(deposit 5)

(balance) ; => 5

;; 客户端尝试存储一个负值时会出错

;; (deposit -5) ; => deposit: contract violation

;; expected: positive?

;; given: -5

;; more details....