C# Monads的实现（一）

了解Haskell语言的朋友都知道它是一门纯函数式编程，输出结果只跟输入参数相关，这导致Haskell不能有输入输出函数，因为不同的环境下，输入相同，但输出可能有所不同。Haskell语言中，变量的值一旦被赋值，则不会再被修改，所以这也导致了它就无法输出——因为输出会改变屏幕。那Haskell中如何实现输入输出功能？

Haskell中输入输出的功能是通过Monad方法实现的。本篇不讨论Haskell语言，只讨论基于C#下的Monad实现。

主要参考资料

一、介绍

Monads来自范畴论。在一篇优秀的论文The Essence of Functional Programming中，Wadler展示了monads在计算程序中非常有用，因为能够组合不同的函数，而这些函数具有不同的对数值处理的逻辑。

Monads在Haskell语言中获得非常大的成功，跟在特殊领域能发挥很好作用的actor一样，monads已经深入程序员脑海，普遍认为它在纯延迟函数式语言中才有用。这是很不幸的，事实上monads应用可以更宽广。

二、控制复杂度

组合是软件中控制复杂度的关键点。在 The Structure and Interpretation of Computer Programs中，Abelson和Sussman认为好的组合能把复杂的系统已简单的模式显示出来。

其中一种组合为函数组合，简单地描述了函数调用之间的依赖关系。比如，将两个函数作为输入参数，并把第二个函数的结果值作为第一个函数的输入参数，因此形成一个函数如下

public static Func<T, V> Compose<T, U, V>(this Func<U, V> f, Func<T, U> g)
{
    return x => f(g(x));
}

如果不是先将函数g应用到值x上，然后对函数g的结果值应用函数f，那么，可以先组合函数f和函数g，将组合的结果应用到值x上，这两种方式的关键区别是函数f和g之间依赖关系的抽象

var r = f(g(x));         // without function composition
var r = f.Compose(g)(x); // with function composition

假设有如下Identity函数，那函数组合必须遵循以下三条规则

public static T Identity<T>(this T value)
{
    return value;
}

1. 左恒等律

 Identity.Compose(f) = f

2. 右恒等律

f.Compose(Identity) = f

3. 结合律

f.Compose(g.Compose(h)) = (f.Compose(g)).Compose(h)

当然，不仅仅是值，结构化类型扩展了值类型。如，IEnumerable<T>表示延时计算的T类型列表，Nullable<T>表示类型T的可为空（null）值，而Func<Func<T, Answer>, Answer>表示一个函数，这个函数有一个continuation输入，并返回一个Answer，而这个continuation则有一个T类型参数并返回Answer。这些类型都扩展了T类型。

这里约定，M<T>类型扩展了类型T，并且我们统一称之为T的包装类型，为M<T>，而T称为未包装类型。

假定不是组合返回类型为T的函数，而是组合这样一种函数，这些函数以未包装类型为输入参数，返回包装类型，如下代码所示

public static Func<T, M<V>> Compose<T, U, V>(this Func<U, M<V>> f, Func<T, M<U>> g)
{
    return x => f(g(x)); // error, g(x) returns M<U> and f takes U
}

这个组合会失败，原因如代码注释所说。我们增加一个"Bind"函数用以访问M<U>的去包装类型U，并将这个值传递给f函数，如下

public static Func<T, M<V>> Compose<T, U, V>(this Func<U, M<V>> f, Func<T, M<U>> g)
{
    return x => Bind(g(x), f);
}

根据输入和输出可以决定Bind函数的签名，g函数的输出为M<U>，故Bind函数签名为

public static M<V> Bind<U, V>(this M<U> m, Func<U, M<V>> k)

除了Bind函数，我们还可以定义包装一个未包装类型参数使其成为包装类型，称此函数为"Unit"，

public static M<T> Unit<T>(this T value)

Bind函数和Unit函数可以使用包装类型进行函数组合。

三、满足Monads

Monads由三部分组成：类型、Unit函数以及Bind函数。当然要成为一个monad，这三部分必须满足以下三条定律：

1. 左恒等律

Bind(Unit(e), k) = k(e)

2. 右恒等律

Bind(m, Unit) = m

3. 结合律

Bind(m, x => Bind(k(x), y => h(y)) = Bind(Bind(m, x => k(x)), y => h(y))

第一条和第二条定律显然易见故不再赘述。

第三条定律其实也容易理解，“=”左边是外层Bind函数对m进行去包装化，内层Bind函数对k(x)进行去包装化，而“=”右边是内层Bind函数对m进行去包装化，外层Bind函数对k(x)进行去包装化。

这些定律与函数组合类似。这不是一个巧合。这些定律保证了monad的行为正确并能良好的组合。

Identity Monad

最简单的Monad是Identity monad，用于包装一个值。

class Identity<T>
{
    public T Value { get; private set; }
    public Identity(T value) { this.Value = value; }
}

有了类型T和T的包装类型Identity之后，我们可以上面那些只有函数签名没有函数体的函了。

Unit函数输入一个T类型值，返回Identity的实例，如下

static Identity<T> Unit<T>(T value)
{
    return new Identity<T>(value);
}

Bind函数有一个Identity类型参数，去包装这个参数为一个值，然后调用第二个参数，第二个参数是个委托类型，将去包装后的值传入这个委托，结果是Identity的另一个实例，如下

static Identity<U> Bind<T,U>(Identity<T> id, Func<T,Identity<U>> k)
{
    return k(id.Value);
}

考虑这样一个简单的程序：创建两个Identity包装器，并对包装类型执行一个操作。首先，绑定x到5的包装类型上，然后绑定y到6的包装类型上。最后，将5和6相加，结果是11的包装类型，如下

var r = Bind(Unit(), x =>
            Bind(Unit(), y =>
                Unit(x + y))); 

Console.WriteLine(r.Value);

当然，这段代码看起来很不简洁，最好能有一个处理monad的语法。幸运的是，事实上真有这样的语法。

C#3.0引入了查询理解（query comprehensions），其本质上是monad理解（comprehensions）。我们可以使用LINQ重写identity monad。也许，可以把它称之为LINM（Language INtegrated Monads）。

把Unit重命名为ToIdentity，把Bind重命名为SelectMany，这两个重命名后的函数均为扩展方法，如下

public static Identity<T> ToIdentity<T>(this T value)
{
    return new Identity<T>(value);
}

public static Identity<U> SelectMany<T, U>(this Identity<T> id, Func<T, Identity<U>> k)
{
    return k(id.Value);
}

于是，刚才的使用代码可以改写为如下

var r = .ToIdentity().SelectMany(
            x => .ToIdentity().SelectMany(
                y => (x + y).ToIdentity()));

Console.WriteLine(r.Value);

与此相对应的方法正是LINQ中定义的标准查询操作符。然而，为了性能考虑，标准查询操作符还包含了一个稍有不同的SelectMany版本。这个SelectMany版本组合Bind和Unit，所以lambda不需要嵌入的很深，不像上面这段代码。先给出这个版本的SelectMany的方法定义，看看能从中发现什么。

public static Identity<V> SelectMany<T, U, V>(this Identity<T> id, Func<T, Identity<U>> k, Func<T,U,V> s)
{
    return id.SelectMany(x => k(x).SelectMany(y => s(x, y).ToIdentity()));
}

这个SelectMany版本的定义中有SelectMany的重载版本，这个重载版本可参见上一个SelectMany方法定义。

当然，我们也可以利用已有的代码改写这个版本的SelectMany为如下

public static Identity<V> SelectMany<T, U, V>(this Identity<T> id, Func<T, Identity<U>> k, Func<T,U,V> s)
{
    return s(id.Value, k(id.Value).Value).ToIdentity();
}

于是，调用代码不需要嵌套的lambda表达式了，

var r = .ToIdentity()
         .SelectMany(x => .ToIdentity(), (x, y) => x + y);

Console.WriteLine(r.Value);

使用这个定义，C#程序员们则可以使用查询理解语法，如下

var r = from x in .ToIdentity()
        from y in .ToIdentity()
        select x + y;

记住，查询语法中使用的是后一个版本的SelectMany。

Maybe Monad

前面介绍的Identity仅是对一个类型的最简单的monad化包装。如果我们需要某包装类型，这个包装类型中包含的值可能为一个值，也可能为一个空值（null），此时我们就可以使用Maybe monad。

首先定义Maybe类型，如下

class Maybe<T>
{
    public readonly static Maybe<T> Nothing = new Maybe<T>();
    public T Value { get; private set; }
    public bool HasValue { get; private set; }
    Maybe()
    {
        HasValue = false;
    }
    public Maybe(T value)
    {
        Value = value;
        HasValue = true;
    }
}

相应的Unit函数有一个未包装类型输入参数，构造一个Maybe的实例并返回，

public static Maybe<T> ToMaybe<T>(this T value)
{
    return new Maybe<T>(value);
}

相应的Bind函数有一个Maybe类型输入参数，如果这个参数有值，则将这个值传入Bind的委托类型参数，否则返回Nothing，

public static Maybe<U> SelectMany<T, U>(this Maybe<T> m, Func<T, Maybe<U>> k)
{
    if (!m.HasValue)
        return Maybe<U>.Nothing;
    return k(m.Value);
}

下面给出调用示例

var r = from x in .ToMaybe()
        from y in Maybe<int>.Nothing
        select x + y;

Console.WriteLine(r.HasValue ? r.Value.ToString() : "Nothing");

List Monad

还有一个重要的包装类型是list类型。事实上，list monad是LINQ的核心。IEnumerable<T>表示延迟计算list。

相应的Unit函数为，

public static IEnumerable<T> ToList<T>(this T value)
{
    yield return value;
}

Bind函数则有两个输入参数，分别为IEnumerable<T>类型和委托类型，这个委托类型有一个输入参数类型T，返回类型为IEnumerable<U>，最终Bind函数的返回类型为IEnumerable<U>，

public static IEnumerable<U> SelectMany<T, U>(this IEnumerable<T> m, Func<T, IEnumerable<U>> k)
{
    foreach (var x in m)
        foreach (var y in k(x))
            yield return y;
}

现在，给出一个使用示例，

var r = from x in new[] { , ,  }
        from y in new[] { , ,  }
        select x + y;

foreach (var i in r)
    Console.WriteLine(i);

Continuation Monad

如何更好的写出CPS(Continuation-Passing Style)代码？

Continuation monad， K， 的类型是一个委托类型，当给定一个continuation，这个continuation本身有一个T类型输入参数并返回Answer类型结果，那么，委托最终返回Answer类型，签名如下

delegate Answer K<T,Answer>(Func<T,Answer> k);

注意，这个类型与上面所说的Identity<T>，Maybe<T>和IEnumerable<T>都不同。上面的那些monads表示了一个类型的包装类型，计算也是针对未包装类型而不是包装类型。但是，这个continuation monad与众不同，它不包含值，它所做的事情就是将用户写的continuation组合起来。

要成为一个monad，必须有相应的Unit函数，这个函数输入参数为T，返回参数为T的包装类型，即K<T, Answer>，签名如下

public static K<T, Answer> ToContinuation<T, Answer>(this T value);

分析这个函数签名，输入参数为T类型，输出为另一个函数（参见上面的委托签名），称为F，这个函数F自身的参数为Func<T, Answer>，形式如下

return (Func<T, Answer> c) => ...

根据上面的那个委托类型，故这个F函数的返回类型为Answer，其所需的T类型参数正是value值，故F函数体可以写成如下

return (Func<T, Answer> c) => c(value);

为了成为一个monad，Bind函数必须有一个K<T, Answer>输入参数，以及一个函数参数，这个函数用于从T类型转换到K<U, Answer>类型，最终Bind函数的返回类型为K<U, Answer>，函数签名如下

public static K<U, Answer> SelectMany<T, U, Answer>(this K<T, Answer> m, Func<T, K<U, Answer>> k);

但是函数体如何实现？返回类型必须是K<U, Answer>，但是这个返回类型如何形成？

我们再次看看SelectMany的组成（将K类型展开）：

返回类型为K，K是一个输入为Func<U, Answer>，输出为Answer的函数，故返回类型如下，

Func<Func<U, Answer>, Answer>

m的类型也为K，只是泛型参数从U变为T，m类型如下，

Func<Func<T, Answer>, Answer>

k的类型，是一个函数，输入为T，输出为K，可以写成其类型如下

Func<T, Func<Func<U, Answer>, Answer>>

分析：

将k应用到T上返回一个类型K<U, Answer>的值，但是T类型值从哪里来？首先，根据返回类型K<U, Answer>可以构造出SelectMany函数体类似如下，

return (Func<U,Answer> c) => ...

根据K的类型可以推断return关键字后面的lambda函数体的返回类型必须为Answer，而m可以应用到一个从T转为Answer的函数上，m的返回类型正好为Answer，如此，SelectMany函数体类似如下，

return (Func<U,Answer> c) => m(...)

m调用的内部表达式必须是Func<T, Answer>，目前还没有这个类型，所以我们构造这样一个函数类型，即创建一个参数为T的lambda表达式，如下，

return (Func<U,Answer> c) => m((T x) => ...)

m调用的内部lambda表达式的函数体返回类型为Answer，所以我们现在要做的事情就是如何得到这个Answer类型。

考虑如果应用k到x上，则返回类型为Func<Func<U, Answer>, Answer>，要想得到类型Answer类型，则将这个返回结果再次应用到Func<U, Answer>上即可。前面我们已经有Func<U, Answer>的参数c，故现在SelectMany函数体可写成如下，

return (Func<U,Answer> c) => m((T x) => k(x)(c));

构建一个计算，调用值为7的continuation，将这个continuation传入另一个计算，这个计算调用值为6的continuation。再讲这个continuation传入另一个计算，这个计算调用的计算用来将前两个continuation的结果值相加。最后，传入一个continuation，用于将"1"替换为"a"，如下

var r = from x in .ToContinuation<int,string>()
        from y in .ToContinuation<int,string>()
        select x + y;

Console.WriteLine(r(z => z.ToString().Replace('', 'a'))); // displays a3

注：以上这段测试代码还无法通过编译，提示SelectMany函数的参数不对，如果对前面Identity Monad真正理解了的话，应该知道原因是什么。这里先不处理，下一篇关于Monads的实现中会解决这个问题。

三、Monad的魔力

对包装类型的组合需要monads。Identity，Maybe和IEnumerablemonads作为包装类型证明了monads的强大功能。Continuation monad，K，说明了monad是如何表现复合计算的。