Transformátory monád
IB016 Seminář z funkcionálního programování
Adam Matoušek, Henrieta Micheľová
(původní autoři slajdů Vladimír Štill, Martin Ukrop)
Fakulta informatiky, Masarykova univerzita
Jaro 2021
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 1 / 20
Připomenutí: Reader, Writer, State
Monády čtenáře
newtype Reader r a = Reader {runReader :: r -> a}
((->) r) (funkce z r)
read-only přístup ke sdílenému kontextu
Monády písaře
newtype Writer w a = Writer {runWriter :: (a, w)}
((,) w) (dvojice s první složkou w)
zápis do sdíleného výstupu
Stavová monáda
newtype State s a = State {runState :: s -> (a, s)}
měnitelný stav předávaný mezi výpočty
Pozn.: klíčové slovo newtype budeme občas vynechávat, protože se nevleze na snímky.
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 2 / 20
Připomenutí: pomocné funkce
pro pohodlnou práci s monádami existují pomocné funkce. . .
čtenáři: ask a asks, local
písaři: tell, listen, censor
stav: get, gets, put, modify
. . . kterým nezáleží na konkrétním typu monády:
asks :: MonadReader r m => (r -> a) -> m a
m je libovolná monáda, která se chová jako čtenář z r
(může být Reader r nebo ((->) r))
tell :: MonadWriter w m => w -> m ()
m je libovolná monáda, která se chová jako písař do w
(může být Writer w nebo ((,) w))
modify :: MonadState s m => (s -> s) -> m ()
m je libovolná monáda, která má měnitelný stav typu s
(může být State s nebo. . . ?)
Všimněte si, že jsou třídy parametrisované více typy (vyžaduje rozšíření
MultiParamTypeClasses).
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 3 / 20
Příklad z minulého cvičení
data Formula = Var String | And Formula Formula
| Not Formula | Or Formula Formula
deriving (Eq, Ord, Show)
type Valuation = Map String Bool
eval :: Formula -> Valuation -> Bool
eval (Var v) = Map.findWithDefault False v
eval (And x y) = do lhs <- eval x
if not lhs then pure False
else eval y
eval (Or x y) = liftA2 (||) (eval x) (eval y)
eval (Not x) = not <$> eval x
úkol: ověřme lenost Andu a striktnost Oru
využijeme písaře do Sum Integer na počítání kroků výpočtu
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 4 / 20
Příklad z minulého týdne: řešení
data Formula = Var String | And Formula Formula
| Not Formula | Or Formula Formula
deriving (Eq, Ord, Show)
type Valuation = Map String Bool
eval :: Formula -> Valuation -> (Sum Integer, Bool)
eval (Var v) val = tell 1 $> Map.findWithDefault False v val
eval (And x y) val = do lhs <- eval x val
tell 1
if not lhs then pure False
else eval y val
eval (Or x y) val = tell 1 >> liftA2 (||) (eval x val) (eval y val)
eval (Not x) val = tell 1 >> not <$> eval x val
řešení 1: nahradíme čtenáře písařem
read-only kontext teď musíme posílat ručně
struktura se příliš nemění, do-blok a liftování je skoro stejné
otravné; nemohl by čtenář a písař fungovat zároveň?
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 5 / 20
Kombinace monád
do-blok, liftování apod. nemohou fungovat s kombinací monád
na použití ask a tell zaráz ale nepotřebujeme více monád
stačí instance pro MonadReader i pro MonadWriter zároveň
řešení: napíšeme novou vlastní monádu, která se chová jako
čtenář r i jako písař w:
newtype RW r w a = RW { runRW :: r -> (w, a) }
zkuste si jako procvičení napsat instance pro Functor,
Applicative a Monad
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 6 / 20
Řešení pomocí RW
newtype RW r w a = RW { runRW :: r -> (w, a) }
... -- instance vynechány
eval :: Formula -> RW Valuation (Sum Integer) Bool
eval (Var v) = do tell 1
asks $ Map.findWithDefault False v
eval (And x y) = do lhs <- eval x
tell 1
if not lhs then pure False
else eval y
eval (Or x y) = tell 1 >> liftA2 (||) (eval x) (eval y)
eval (Not x) = tell 1 >> not <$> eval x
to už vypadá velmi použitelně
počet kroků vyhodnocení formule:
getSum . fst $ runRW (eval formula) valuation
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 7 / 20
Třídy MonadReader a MonadWriter
Naši monádu stačí už jen naučit číst a psát. . .
class Monad m => MonadReader r m | m -> r1 where
{- # MINIMAL (ask | reader), local # -}
ask :: m r
local :: (r -> r) -> m a -> m a
reader :: (r -> a) -> m a
class (Monoid w, Monad m) => MonadWriter w m | m -> w1 where
{- # MINIMAL (writer | tell), listen, pass # -}
writer :: (a,w) -> m a
tell :: w -> m ()
listen :: m a -> m (a, w)
pass :: m (a, w -> w) -> m a
. . . což je ale hrozně moc práce!
1
zápis „... | m -> r“ znamená, že typ r musí být lze jednoznačně odvodit
z typu m (tzv. funkční závislost). Vyžaduje rozšíření FunctionalDependencies.
Psaní instancí pak vyžaduje FlexibleInstances.
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 8 / 20
Kombinace monád podruhé
předchozí řešení je funkční, ale má několik vad:
velká vývojářská režie – museli jsme napsat pět instancí
kromě otravnosti to zvyšuje možnost zanesení chyby
jiné kombinace musíme napsat zase od znovu
chtěli bychom nějaký příjemnější a obecnější způsob jak tvořit
monády s více funkcionalitami
myšlenka: navrstvit „poskytovatele monadické funkcionality“
na sebe
mohli bychom pak zadefinovat něco jako
type RW r w = AddWriting w (Reader r)
a o žádné instance se nestarat
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 9 / 20
Transformátory monád
transformátor monád = z monády udělá jinou monádu
přidává monadickou funkcionalitu k existující monádě
příklad: WriterT :: * -> (* -> *) -> (* -> *)
WriterT w m a = WriterT {runWriterT :: m (a, w)}
„písařidlo“ přidávající možnost logování
neboli existují instance
(Monoid w, Monad m) => Monad (WriterT w m)
(Monoid w, Monad m) => MonadWriter w (WriterT w m)
promptLog :: String -> WriterT [String] IO String
promptLog prompt = do putStr prompt
line <- getLine
tell [prompt ++ line]
pure line
Poznámka k výrazivu: ((((((
monadické ((((((
transformery
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 10 / 20
Transformátory monád
transformátor monád = z monády udělá jinou monádu
přidává monadickou funkcionalitu k existující monádě
příklad: WriterT :: * -> (* -> *) -> (* -> *)
WriterT w m a = WriterT {runWriterT :: m (a, w)}
„písařidlo“ přidávající možnost logování
neboli existují instance
(Monoid w, Monad m) => Monad (WriterT w m)
(Monoid w, Monad m) => MonadWriter w (WriterT w m)
promptLog :: String -> WriterT [String] IO String
promptLog prompt = do putStr prompt -- error!
line <- getLine -- error!
tell [prompt ++ line]
pure line
Poznámka k výrazivu: ((((((
monadické ((((((
transformery
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 10 / 20
Liftování
promptLog :: String -> WriterT [String] IO String
promptLog prompt = do putStr prompt -- error!
line <- getLine -- error!
tell [prompt ++ line]
pure line
getLine je typu IO String, ale potřebujeme, aby byl typu
WriterT [String] IO String
Transformátory jsou instancemi typové třídy MonadTrans
class MonadTrans t where
lift :: (Monad m) => m a -> t m a
lift z výpočtu v monádě m udělá výpočet v monádě t m.
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 11 / 20
Liftování
promptLog :: String -> WriterT [String] IO String
promptLog prompt = do lift (putStr prompt)
line <- lift getLine
tell [prompt ++ line]
pure line
getLine je typu IO String, ale potřebujeme, aby byl typu
WriterT [String] IO String
Transformátory jsou instancemi typové třídy MonadTrans
class MonadTrans t where
lift :: (Monad m) => m a -> t m a
lift z výpočtu v monádě m udělá výpočet v monádě t m.
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 11 / 20
Transformátory z mtl
Všechny tři monády z minula mají svůj přílušný transformátor:
WriterT w m a = WriterT {runWriterT :: m (a, w)}
ReaderT r m a = ReaderT {runReaderT :: r -> m a}
StateT s m a = StateT {runStateT :: s -> m (a,s)}
analogicky existují také evalStateT, execWriterT apod.
ve skutečnosti jsou monády z minula definovány podle vzoru:
type Reader r = ReaderT r Identity
existuje i kombinace předchozích transformátorů:
RWST r w s m a = RWST {runRWST :: r -> s -> m (a,s,w)}
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 12 / 20
Řešení úlohy z minula s transformátory
eval :: Formula -> ReaderT Valuation (Writer (Sum Integer)) Bool
eval (Var v) = do lift $ tell 1
asks $ Map.findWithDefault False v
eval (And x y) = do lhs <- eval x
lift $ tell 1
if not lhs then pure False
else eval y
eval (Or x y) = lift (tell 1) >> liftA2 (||) (eval x) (eval y)
eval (Not x) = lift (tell 1) >> not <$> eval x
eval' :: Formula -> Valuation -> (Bool, Sum Integer)
eval' f vs = runWriter (runReaderT (eval f) vs)
přidávání liftů je krajně neelegantní
více transformačních vrstev znamená více liftování
chtěli bychom se obejít bez liftů
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 13 / 20
Řešení úlohy z minula s transformátory
eval :: Formula -> ReaderT Valuation (Writer (Sum Integer)) Bool
eval (Var v) = do tell 1
asks $ Map.findWithDefault False v
eval (And x y) = do lhs <- eval x
tell 1
if not lhs then pure False
else eval y
eval (Or x y) = tell 1 >> liftA2 (||) (eval x) (eval y)
eval (Not x) = tell 1 >> not <$> eval x
eval' :: Formula -> Valuation -> (Bool, Sum Integer)
eval' f vs = runWriter (runReaderT (eval f) vs)
přidávání liftů je krajně neelegantní
více transformačních vrstev znamená více liftování
chtěli bychom se obejít bez liftů
kód funguje správně i bez nich!
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 13 / 20
Spolupráce transformátorů z mtl
transformátory z mtl jsou navrženy tak, aby se v jejich
kombinacích nemusel používat lift
to je umožněno instancemi jako např:
(MonadReader r m) => MonadReader r (WriterT w m)
(MonadReader r m) => MonadReader r (StateT s m)
...
tedy například pokud transformátor obaluje čtenáře, je
výsledná monáda opět čtenářem
lift je třeba použít, obsahuje-li monáda např. více ReaderT
bez liftování se neobjdeme při práci s IO
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 14 / 20
IO a monádové transformátory
neexistuje žádné IOT, takže IO musí být vždy „na dně“ pod
všemi transformátory1
vstupně-výstupní akce pracují v IO, nikoli v nějakém obecném
MonadIO, takže transformátory nemohou propagovat samotné
V/V akce jako např. ask v případě MonadReader r apod.2
mohou ale propagovat způsob jak spustit V/V akce:
class Monad m => MonadIO m where
liftIO :: IO a -> m a
liftIO ≈ „liftovací zkratka“ k IO vespod:
liftIO getLine ∗ lift . · · · . lift $ getLine
1
To ale neznamená, že bude nejblíže samotnému výsledku výpočtu.
2
Můžete se podívat na balík unliftio, který se přesně o toto snaží.
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 15 / 20
Transformátor pro ošetřování chyb
výpočty s výjimkami: Either e
příslušný transformátor (z modulu Control.Monad.Except):
ExceptT e m a = ExceptT (m (Either e a))
class (Monad m) => MonadError e m | m -> e where
throwError :: e -> m a
catchError :: m a -> (e -> m a) -> m a
povýšení libovolné Either-akce do třídy MonadError:
liftEither :: MonadError e m => Either e a -> m a
neplést se standardní třídou MonadFail, do níž se přesouvá
(v GHC 8.8) z Monad funkce fail :: String -> m a
volaná při neúspěšném pattern-matchingu v do-bloku
MaybeT existuje, ale samo o sobě neposkytuje funkcionalitu
pro ošetřování chyb (tj. nepřináší instanci MonadError)
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 16 / 20
Pořadí skládání transformátorů I
newtype ReaderT r m a = ReaderT {runReaderT :: r -> m a}
newtype WriterT w m a = WriterT {runWriterT :: m (a, w)}
Jaký je rozdíl mezi následující dvojicí monád?
ReaderT r (Writer w) a vs. WriterT w (Reader r) a
zapomeneme „zbytečné“ konstruktory
r -> Writer w a vs. Reader r (a, w)
r -> (a, w) = r -> (a, w)
ReaderT a WriterT můžeme prohodit
liší se pak jen pořadí jejich vyhodnocení:
runWriter.flip runReaderT c flip runReader c.runWriterT
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 17 / 20
Pořadí skládání transformátorů II
newtype ReaderT r m a = ReaderT {runReaderT :: r -> m a}
newtype StateT s m a = StateT {runStateT :: s -> m (a, s)}
Jaký je rozdíl mezi následující dvojicí monád?
ReaderT r (State s) a vs. StateT s (Reader r) a
r -> State s a s -> Reader r (a, s)
r -> s -> (a, s) s -> r -> (a, s)
ReaderT a StateT nekomutují, ale liší se jen pořadím parametrů
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 18 / 20
Pořadí skládání transformátorů III
newtype ExceptT e m a = ExceptT (m (Either e a))
newtype StateT s m a = StateT {runStateT :: s -> m (a, s)}
Jaký je rozdíl mezi následující dvojicí monád?
ExceptT e (State s) a vs. StateT s (Either e) a
State s (Either e a) s -> Either e (a, s)
s -> (Either e a, s) s -> Either e (a, s)
ExceptT a StateT nekomutují
liší se v tom, jestli při chybě zůstane stav platný
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 19 / 20
A to je vše
Transformátory monád – shrnutí
monadické funkce (ask, tell apod.) jsou poskytovány třídami
transformátor přidá novou instanci k existující monádě
transformátor přebírá instance spodní monády
Kam dál?
Zajímavé monády k zamyšlení
Cont, Tardis
Freer monads (hezký úvod zde)
dláždivý správce oken xmonad
IA014 Advanced Functional Programming
vystavění Haskellu z λ-kalkulu
GADT (generalisované algebraické datové typy)
závislé typy
Chcete se Haskellem živit?
functionaljobs.com
IB016: Cvičení 11 Jaro 2021 20 / 20