泛函编程（20）－泛函库设计－Further Into Parallelism

上两节我们建了一个并行运算组件库，实现了一些基本的并行运算功能。到现在这个阶段，编写并行运算函数已经可以和数学代数解题相近了：我们了解了问题需求，然后从类型匹配入手逐步产生题解。下面我们再多做几个练习吧。

在上节我们介绍了asyncF，它的类型款式是这样的：asyncF(f: A => B): A => Par[B]，从类型款式（type signature）分析，asyncF函数的功能是把一个普通的函数 A => B转成A => Par[B]，Par[B]是一个并行运算。也就是说asyncF可以把一个输入参数A的函数变成一个同样输入参数A的并行运算。asyncF函数可以把List[A]，一串A值，按照函数A => B变成List[Par[A]]，即一串并行运算。

例：函数f: (a: A) => a + 10：List(1,2,3).map(asyncF(f))=List(Par(1+10),Par(2+10),Par(3+10))，这些Par是并行运算的。但它们的运算结果需要另一个函数sequence来读取。我们从以上分析可以得出sequence的类型款式：

 def sequence[A](lp: List[Par[A]]): Par[List[A]]

用sequence把List[Par[A]]转成Par[List[A]]后我们就可以用Par.map对List[A]进行操作了。List有map，我们可以再用map对A进行操作。在上一节我们做了个练习：

 def parMap[A,B](l: List[A])(f: A => B): Par[List[B]]

parMap按List[A]产生了一串并行运算的函数f。我们可以从类型匹配着手一步一步推导：

1、lp: List[Par[B]] = l.map(asyncF(f))

2、pl: Par[List[B]] = sequence(lp) >>> parMap

再做个新的习题：用并行运算方式Filter List：

 def parFilter[A](as: List[A])(f: A => Boolean): Par[List[A]]

我们还是从类型匹配着手一步步推导：

1、asyncF( a => if(f(a)) List(a) else List() )  >>> Par[List[A]]

2、lpl: List[Par[List[A]]] = as.map( asyncF( a => if(f(a)) List(a) else List()))

3、pll: Par[List[List[A]]] = sequence(lpl)

4、map(pll){ a => a.flatten } >>> Par[List{A]]

   def parFilter[A](as: List[A])(f: A => Boolean): Par[List[A]] = {
        val pars: List[Par[List[A]]] = as.map(asyncF( (a: A) => if (f(a)) List(a) else List() ))
        map(sequence(pars)){ a => a.flatten }
   }                                               //> parFilter: [A](as: List[A])(f: A => Boolean)ch71.Par.Par[List[A]]

测试结果：

 parFilter(List(10,29,13,3,6,48)){_ > 10}(es).get//> pool-1-thread-1
                                                   //| pool-1-thread-2
                                                   //| pool-1-thread-3
                                                   //| pool-1-thread-4
                                                   //| pool-1-thread-5
                                                   //| pool-1-thread-6
                                                   //| pool-1-thread-7
                                                   //| pool-1-thread-8
                                                   //| pool-1-thread-9
                                                   //| pool-1-thread-10
                                                   //| pool-1-thread-11
                                                   //| pool-1-thread-12
                                                   //| pool-1-thread-14
                                                   //| pool-1-thread-16
                                                   //| pool-1-thread-13
                                                   //| pool-1-thread-15
                                                   //| pool-1-thread-17
                                                   //| res0: List[Int] = List(29, 13, 48)

再做一个计算字数的练习：用并行运算方式来计算List里的文字数。我们尽量用共性的方法来通用化解答。如果文字是以List装载的活，类型就是：List[String]，举个实例：List("the quick fox","is running","so fast")。我们可以分两步解决：

1、"the quick fox".split(' ').size >>> 把字符串分解成文字并计算数量

2、List(A,B,C) >>> A.size + B.size + C.size >>> 把List里的文字数积合。

这两步可以分两个函数来实现：

1. f: A => B >>> 我们需要把这个函数转成并行运算：List[Par[B]]

2. g: List[B] => B

   def generalWordCount[A,B](as: List[A])(f: A => B)(g: List[B] => B): Par[B] = {
       val lp: List[Par[B]] = as.map(asyncF(f))
       val pl: Par[List[B]] = sequence(lp)
       map(pl)(g)
   }                                               //> generalWordCount: [A, B](as: List[A])(f: A => B)(g: List[B] => B)ch71.Par.P
                                                   //| ar[B]
   def wordCount(as: List[String]): Par[Int] = {
       generalWordCount(as)(_.split(' ').size)(_.sum)
   }                                               //> wordCount: (as: List[String])ch71.Par.Par[Int]
   val lw = List("the quick silver fox", "is running","the one legged fog", "is hopping")
                                                   //> lw  : List[String] = List(the quick silver fox, is running, the one legged
                                                   //| fog, is hopping)
   wordCount(lw)(es).get                           //> pool-1-thread-1
                                                   //| pool-1-thread-3
                                                   //| pool-1-thread-2
                                                   //| pool-1-thread-15
                                                   //| pool-1-thread-16
                                                   //| pool-1-thread-7
                                                   //| pool-1-thread-10
                                                   //| pool-1-thread-14
                                                   //| pool-1-thread-6
                                                   //| pool-1-thread-13
                                                   //| pool-1-thread-9
                                                   //| res7: Int = 12

相信大家对泛函编程的这种数学解题模式已经有了一定的了解。

在前面我们曾经提过现在的fork实现方式如果使用固定数量线程池的话有可能造成锁死：

   val es = Executors.newFixedThreadPool(1)
   val a = fork(async(40+2))
   run(es)(a).get

我们再回顾一下fork的实现：

     def fork[A](pa: => Par[A]): Par[A] = {
         es => {
             es.submit(new Callable[A] {
               def call: A = run(es)(pa).get
             })
         }
     }

可以看出我们提交的callable内部是一个run par，这个run会再提交一个callable然后锁定get。外面的callable必须等待内部callable的get锁定完成。所以这种fork实现是需要两个线程的。如果线程池无法再为内部callable提供线程的话，那么外面的callable就会处于永远等待中形成死锁。上面的parMap函数会按照List的长度分解出同等数量的并行运算，运行时会造成死锁吗？如果线程池不是固定数量线程的话，答案就是否定的：如果并行运算数量大于线程数，那么运算会分批进行：后面的运算可以等待前面的运算完成后释放出线程后继续运行，这里重点是前面的运算始终是可以完成的，所以不会造成死锁。

我们再看看现在所有的组件函数是否足够应付所有问题，还需不需要增加一些基本组件，这也是开发一个函数库必须走的过程；这就是一个不断更新的过程。

现在有个新问题：如果一个并行运算的运行依赖另一个并行运算的结果，应该怎样解决？先看看问题的类型款式：

   def choice[A](pa: Par[Boolean])(ifTrue: Par[A], ifFalse: Par[A]): Par[A]

我们可能马上想到用map: map(pa){b => if(b) ifTrue else ifFalse}， 不过这样做的结果类型是：Par[Par[A]], 是代表我们需要新的组件函数来解决这个问题吗？我们先试着解这个题：

   def choice[A](pa: Par[Boolean])(ifTrue: Par[A], ifFalse: Par[A]): Par[A] = {
       es => if(run(es)(pa).get) run(es)(ifTrue) else run(es)(ifFalse)
   }

我们可以看到现在choice是个最基本组件了。为了解决一个问题就创造一个新的组件不是泛函编程的风格。应该是用一些更基本的组件组合成一个描述这个问题的函数，那才是我们要采用的风格。我们应该试着用一个函数能把Par[Par[A]]变成Par[A]，可能就可以用map了：

ppa: Par[Par[A]]， 如果 run(es)(ppa).get 得到 pa: Par[A], 再run(es)(pa) >>> Future[A]。 Par[A] = es => Future[A]，不就解决问题了嘛：

   def join[A](ppa: Par[Par[A]]): Par[A] = {
       es => {
           run(es)(run(es)(ppa).get())
       }
   }

现在可以用map来实现choice了吧。但是，map是针对元素A来操作的，ifTrue和ifFalse都是Par[A]，还无法使用map。那就先放放吧。

既然我们能在两个并行运算中选择，那么能在N个并行运算中选择不是能更抽象吗？

   def choiceN[A](pb: Par[Int])(choices: List[Par[A]]): Par[A]

run(es)(pb).get 得出指数(index), choices(index)就是选择的运算了：

   def choiceN[A](pb: Par[Int])(choices: List[Par[A]]): Par[A] = {
       es => {
           run(es)(choices(run(es)(pb).get))
       }
   }

从choiceN中我们可以发现一个共性模式：是一个选择函数：Int => Par[A]。再抽象一步我们把选择函数变成：A => Par[B]。这个函数就像之前接触过的flatMap函数的传入参数函数f一样的。我们先看看flatMap的类型款式：

   def flatMap[A,B](pa: Par[A])(f: A => Par[B]): Par[B]

我们只要flatMap pb 传入 A => Par[B]就可以实现choiceN了：

   def flatMap[A,B](pa: Par[A])(f: A => Par[B]): Par[B] = {
       es => {
           run(es)(f(run(es)(pa).get))
       }
   }

有了flatMap，我们可以用它来实现choice,choiceN了：

   def choiceByFlatMap[A](pb: Par[Boolean])(ifTrue: Par[A], ifFalse: Par[A]): Par[A] ={
     flatMap(pb){a => if (a) ifTrue else ifFalse }
   }
   def choiceNByFlatMap[A](pb: Par[Int])(choices: List[Par[A]]): Par[A] = {
       flatMap(pb){choices(_)}
   }

在前面我们无法用map来实现choice，因为类型不匹配。加了一个join函数，又因为map元素类型不匹配，又不行。现在看来flatMap恰恰是我们需要解决choice的组件，而且flatMap能更抽象一层，连choiceN都一并解决了。值得注意的是我们在以上解决问题的过程中一再提及类型匹配，这恰恰体现了泛函编程就是函数解题的过程。

那么flatMap,join,map之间有没有什么数学关系呢？

   def joinByFlatMap[A](ppa: Par[Par[A]]): Par[A] = {
       flatMap(ppa){(x: Par[A]) => x}
   }
   def flatMapByJoin[A,B](pa: Par[A])(f: A => Par[B]): Par[B] = {
       join(map(pa)(f))
   }
   def mapByFlatMap[A,B](pa: Par[A])(f: A => B): Par[B] = {
       flatMap(pa) { a => unit(f(a)) }
   }

它们之间的确可以用数学公式来表达。