我最近发现了FP错误(试图学习Haskell),到目前为止,我对我所看到的(一流函数、惰性求值和所有其他好东西)印象深刻。我还不是专家,但我已经开始发现对基本算法进行“功能性”推理比命令式推理更容易(而且我很难回到我必须回到的地方)。

The one area where current FP seems to fall flat, however, is GUI programming. The Haskell approach seems to be to just wrap imperative GUI toolkits (such as GTK+ or wxWidgets) and to use "do" blocks to simulate an imperative style. I haven't used F#, but my understanding is that it does something similar using OOP with .NET classes. Obviously, there's a good reason for this--current GUI programming is all about IO and side effects, so purely functional programming isn't possible with most current frameworks.

My question is, is it possible to have a functional approach to GUI programming? I'm having trouble imagining what this would look like in practice. Does anyone know of any frameworks, experimental or otherwise, that try this sort of thing (or even any frameworks that are designed from the ground up for a functional language)? Or is the solution to just use a hybrid approach, with OOP for the GUI parts and FP for the logic? (I'm just asking out of curiosity--I'd love to think that FP is "the future," but GUI programming seems like a pretty large hole to fill.)


无论您使用的是f#或OCaml这样的函数/OO混合语言,还是Haskell这样的纯函数式语言(其中副作用被归为IO单子),大多数情况下,管理GUI所需的大量工作更像是“副作用”,而不是纯函数式算法。

也就是说,已经有一些关于功能性gui的可靠研究。甚至还有一些(主要)功能性工具包,如Fudgets或FranTk。


Haskell方法似乎只是包装命令式GUI工具包(如GTK+或wxWidgets),并使用“do”块来模拟命令式样式

这并不是真正的“Haskell方法”——这只是通过命令式接口最直接地绑定到命令式GUI工具包的方法。Haskell恰好有相当突出的绑定。

有几种比较成熟的,或者更具实验性的纯函数式/声明式gui方法,主要是在Haskell中,主要使用函数式响应式编程。

一些例子是:

reflex-platform, https://github.com/reflex-frp/reflex-platform 葡萄柚,http://hackage.haskell.org/package/grapefruit-ui-gtk 无功,http://hackage.haskell.org/package/reactive-glut wxFruit, http://hackage.haskell.org/package/wxFruit reactive-banana, http://hackage.haskell.org/package/reactive-banana

对于那些不熟悉Haskell、Flapjax、http://www.flapjax-lang.org/的人来说,http://www.flapjax-lang.org/是一个基于JavaScript的函数式响应式编程的实现。


你可以看看Don Syme在f#上的系列,他演示了如何创建一个gui。下面的链接指向本系列的第三部分(您可以从那里链接到其他两部分)。

使用f#进行WPF开发将是一个非常有趣的GUI范例……

http://channel9.msdn.com/shows/Going+Deep/C9-Lectures-Dr-Don-Syme-Introduction-to-F-3-of-3/


我的问题是,是否可能有一种函数式的GUI编程方法?

您正在寻找的关键词是“函数式响应式编程”(FRP)。

Conal Elliott和其他一些人试图为FRP找到正确的抽象,这有点像家庭手工业。在Haskell中有几个FRP概念的实现。

您可能会考虑从Conal最近的“Push-Pull函数式响应式编程”论文开始,但是还有其他一些(更老的)实现,其中一些链接来自haskell.org网站。Conal有一个覆盖整个领域的诀窍,他的论文可以在不参考以前的情况下阅读。

为了感受如何将这种方法用于GUI开发,您可能想要看看Fudgets,虽然它在90年代中期设计,但确实为GUI设计提供了可靠的FRP方法。


实际上,我想说函数式编程(f#)对于用户界面编程来说是比c#更好的工具。你只需要稍微换个角度思考问题。

我在我的函数式编程书的第16章中讨论了这个主题,但是有一个免费的节选,它展示了(恕我直言)你可以在f#中使用的最有趣的模式。假设你想要实现矩形的绘制(用户按下按钮,移动鼠标并释放按钮)。在f#中,你可以这样写:

let rec drawingLoop(clr, from) = async { 
   // Wait for the first MouseMove occurrence 
   let! move = Async.AwaitObservable(form.MouseMove) 
   if (move.Button &&& MouseButtons.Left) = MouseButtons.Left then 
      // Refresh the window & continue looping 
      drawRectangle(clr, from, (move.X, move.Y)) 
      return! drawingLoop(clr, from) 
   else
      // Return the end position of rectangle 
      return (move.X, move.Y) } 

let waitingLoop() = async { 
   while true do
      // Wait until the user starts drawing next rectangle
      let! down = Async.AwaitObservable(form.MouseDown) 
      let downPos = (down.X, down.Y) 
      if (down.Button &&& MouseButtons.Left) = MouseButtons.Left then 
         // Wait for the end point of the rectangle
         let! upPos = drawingLoop(Color.IndianRed, downPos) 
         do printfn "Drawn rectangle (%A, %A)" downPos upPos }

这是一种非常必要的方法(在通常实用的f#风格中),但它避免使用可变状态来存储绘图的当前状态和存储初始位置。它可以做得更有功能,我写了一个库,作为我硕士论文的一部分,应该在几天后可以在我的博客上看到。

函数式响应式编程是一种更函数化的方法,但我发现它有点难以使用,因为它依赖于相当高级的Haskell特性(比如箭头)。然而,在大量的情况下,它是非常优雅的。它的局限性在于您不能轻松地对状态机进行编码(这是响应式程序的有用心理模型)。使用上面的f#技术,这是非常容易的。


像XUL这样的标记语言允许您以声明式的方式构建GUI。


Windows Presentation Foundation证明了函数式方法非常适合GUI编程。它有许多功能方面,“好的”WPF代码(搜索MVVM模式)强调功能方法而不是命令式方法。我可以勇敢地宣称WPF是现实世界中最成功的功能GUI工具包:-)

WPF在XAML中描述了用户界面(尽管你也可以把它重写成函数式的c#或f#),所以要创建一些用户界面,你可以这样写:

<!-- Declarative user interface in WPF and XAML --> 
<Canvas Background="Black">
   <Ellipse x:Name="greenEllipse" Width="75" Height="75" 
      Canvas.Left="0" Canvas.Top="0" Fill="LightGreen" />
</Canvas>

此外,WPF还允许你使用另一组声明性标记来声明性地描述动画和对事件的反应(同样,同样的事情也可以写成c# / f#代码):

<DoubleAnimation
   Storyboard.TargetName="greenEllipse" 
   Storyboard.TargetProperty="(Canvas.Left)"
   From="0.0" To="100.0" Duration="0:0:5" />

事实上,我认为WPF与Haskell的FRP有很多共同之处(尽管我相信WPF的设计者并不知道FRP,这有点不幸——如果你使用函数的观点,WPF有时会感觉有点奇怪和不清楚)。


函数式响应式编程背后的一个开放思想是让事件处理函数同时产生对事件的反应和下一个事件处理函数。因此,一个进化的系统被表示为事件处理函数的序列。

对我来说,学习Yampa成为正确理解函数生成函数的关键。有一些关于扬帕的不错的论文。我推荐The Yampa Arcade:

http://www.cs.nott.ac.uk/~nhn/Talks/HW2003-YampaArcade.pdf(幻灯片,PDF) http://www.cs.nott.ac.uk/~nhn/Publications/hw2003.pdf(全文,PDF)

在Haskell.org上有一个关于Yampa的维基页面

http://www.haskell.org/haskellwiki/Yampa

原Yampa首页:

http://www.haskell.org/yampa(不幸的是目前坏了)


为了解决这个问题,我发布了一些我在使用f#时的想法,

http://fadsworld.wordpress.com/2011/04/13/f-in-the-enterprise-i/ http://fadsworld.wordpress.com/2011/04/17/fin-the-enterprise-ii-2/

我还计划做一个视频教程来完成这个系列,并展示f#如何在UX编程中做出贡献。

这里我只是在f#上下文中讨论。

法赫德


函数式编程可能从我上大学的时候就开始了,但我记得函数式编程系统的主要观点是阻止程序员产生任何“副作用”。然而,用户购买软件是由于其产生的副作用,例如更新用户界面。


Elliot关于FRP的演讲可以在这里找到。

此外,这并不是真正的答案,而是一个评论和一些想法:“功能GUI”这个术语似乎有点矛盾(纯粹性和IO在同一个术语中)。

但我模糊的理解是,函数式GUI编程是关于声明性地定义一个与时间相关的函数,该函数接受(实际)与时间相关的用户输入,并产生与时间相关的GUI输出。

换句话说,这个函数像微分方程一样声明式地定义,而不是由算法命令式地使用可变状态定义。

因此,在传统FP中,我们使用时间无关函数,而在FRP中,我们使用时间相关函数作为描述程序的构建块。

让我们考虑在弹簧上模拟一个球,用户可以与之交互。球的位置是图形输出(在屏幕上),用户推球是按键(输入)。

在FRP中描述这个仿真程序(根据我的理解)是用一个微分方程(声明性地)来完成的:加速度*质量= -弹簧拉伸*弹簧常数+用户施加的力。

这里有一个关于ELM的视频,说明了这个观点。


所有这些其他答案都建立在函数式编程的基础上,但它们自己做出了很多设计决策。一个基本上完全由函数和简单抽象数据类型构建的库是gloss。下面是它的play函数的源类型

-- | Play a game in a window. Like `simulate`, but you manage your own input events.
play    :: Display              -- ^ Display mode.
        -> Color                -- ^ Background color.
        -> Int                  -- ^ Number of simulation steps to take for each second of real time.
        -> world                -- ^ The initial world.
        -> (world -> Picture)   -- ^ A function to convert the world a picture.
        -> (Event -> world -> world)    
                -- ^ A function to handle input events.
        -> (Float -> world -> world)
                -- ^ A function to step the world one iteration.
                --   It is passed the period of time (in seconds) needing to be advanced.
        -> IO ()

正如您所看到的,它完全通过提供具有简单抽象类型的纯函数来工作,其他库可以帮助您。


截至2016年,Haskell还有几个相对成熟的FRP框架,如Sodium和Reflex(还有Netwire)。

Manning关于函数式响应式编程的书展示了Java版本的Sodium,作为工作示例,并举例说明了FRP GUI代码库与命令式和基于Actor的方法相比是如何行为和扩展的。

最近还有一篇关于箭头化FRP的论文,以及将副作用、IO和突变纳入遵守法律的纯FRP环境的前景:http://haskell.cs.yale.edu/wp-content/uploads/2015/10/dwc-yale-formatted-dissertation.pdf。

同样值得注意的是,JavaScript框架(如ReactJS和Angular)以及其他许多框架已经或正在使用FRP或其他函数式方法来实现可伸缩和可组合的GUI组件。


自从第一次提出这个问题以来,函数式响应式编程已经被Elm变得更加主流。

我建议你去http://elm-lang.org上看看,那里也有一些非常优秀的交互式教程,教你如何制作一个功能齐全的浏览器内GUI。

它允许您制作功能齐全的GUI,其中您需要自己提供的代码仅由纯函数组成。我个人认为它比各种Haskell GUI框架更容易上手。


The most apparent innovation noticed by people new to Haskell is that there is a separation between the impure world that is concerned with communicating with the outside world, and the pure world of computation and algorithms. A frequent beginner question is "How can I get rid of IO, i.e., convert IO a into a?" The way to to it is to use monads (or other abstractions) to write code that performs IO and chains effects. This code gathers data from the outside world, creates a model of it, does some computation, possibly by employing pure code, and outputs the result.

As far as the above model is concerned, I don't see anything terribly wrong with manipulating GUIs in the IO monad. The largest problem that arises from this style is that modules are not composable anymore, i.e., I lose most of my knowledge about the global execution order of statements in my program. To recover it, I have to apply similar reasoning as in concurrent, imperative GUI code. Meanwhile, for impure, non-GUI code the execution order is obvious because of the definition of the IO monad's >== operator (at least as long as there is only one thread). For pure code, it doesn't matter at all, except in corner cases to increase performance or to avoid evaluations resulting in ⊥.

控制台IO和图形化IO之间最大的哲学区别在于,实现前者的程序通常是用同步风格编写的。这是可能的,因为(撇开信号和其他打开的文件描述符不谈)只有一个事件源:通常称为stdin的字节流。gui本质上是异步的,必须对键盘事件和鼠标点击做出反应。

A popular philosophy of doing asynchronous IO in a functional way is called Functional Reactive Programming (FRP). It got a lot of traction recently in impure, non-functional languages thanks to libraries such as ReactiveX, and frameworks such as Elm. In a nutshell, it's like viewing GUI elements and other things (such as files, clocks, alarms, keyboard, mouse) as event sources, called "observables", that emit streams of events. These events are combined using familiar operators such as map, foldl, zip, filter, concat, join, etc., to produce new streams. This is useful because the program state itself can be seen as scanl . map reactToEvents $ zipN <eventStreams> of the program, where N is equal to the number of observables ever considered by the program.

Working with FRP observables makes it possible to recover composability because events in a stream are ordered in time. The reason is that the event stream abstraction makes it possible to view all observables as black boxes. Ultimately, combining event streams using operators gives back some local ordering on execution. This forces me to be much more honest about which invariants my program actually relies on, similar to the way that all functions in Haskell have to be referentially transparent: if I want to pull data from another part of my program, I have to be explicit ad declare an appropriate type for my functions. (The IO monad, being a Domain-Specific language for writing impure code, effectively circumvents this)