就OOP程序员所能理解的(没有任何功能编程背景)而言,什么是monad?

它解决了什么问题,最常用的地方是什么?

使现代化

为了澄清我所寻求的理解,假设您正在将一个具有monad的FP应用程序转换为OOP应用程序。如何将monad的职责移植到OOP应用程序?


当前回答

如果您曾经使用过Powershell,Eric描述的模式听起来应该很熟悉。Powershell cmdlet是monad;功能组成由管道表示。

杰弗里·斯诺弗对埃里克·梅杰的采访更为详细。

其他回答

我将尝试使用OOP术语做出最简短的定义:

如果一个泛型类CMonadic<T>至少定义了以下方法,那么它就是一个monad:

class CMonadic<T> { 
    static CMonadic<T> create(T t);  // a.k.a., "return" in Haskell
    public CMonadic<U> flatMap<U>(Func<T, CMonadic<U>> f); // a.k.a. "bind" in Haskell
}

如果以下定律适用于所有类型T及其可能的值T

左标识:

CMonadic<T>.create(t).flatMap(f) == f(t)

权利认同

instance.flatMap(CMonadic<T>.create) == instance

关联性:

instance.flatMap(f).flatMap(g) == instance.flatMap(t => f(t).flatMap(g))

示例:

列表monad可能具有:

List<int>.create(1) --> [1]

列表[1,2,3]上的flatMap可以这样工作:

intList.flatMap(x => List<int>.makeFromTwoItems(x, x*10)) --> [1,10,2,20,3,30]

Iterables和Observables也可以是monadic,以及Promise和Task。

评论:

修道院没有那么复杂。flatMap函数与常见的map非常相似。它接收一个函数参数(也称为委托),可以使用来自泛型类的值调用(立即或稍后,零次或多次)。它希望传递的函数也将其返回值包装在同一类泛型类中。为了帮助实现这一点,它提供了create,一个构造函数,可以从值创建该泛型类的实例。flatMap的返回结果也是相同类型的泛型类,通常将flatMap一个或多个应用程序的返回结果中包含的相同值打包到先前包含的值。这允许您尽可能多地链接flatMap:

intList.flatMap(x => List<int>.makeFromTwo(x, x*10))
       .flatMap(x => x % 3 == 0 
                   ? List<string>.create("x = " + x.toString()) 
                   : List<string>.empty())

恰好这种泛型类作为大量事物的基础模型非常有用。这(加上范畴理论的对立)是莫纳斯看起来如此难以理解或解释的原因。它们是一个非常抽象的东西,只有在它们被专门化之后才会变得明显有用。

例如,可以使用一元容器对异常进行建模。每个容器将包含操作结果或发生的错误。flatMap回调链中的下一个函数(委托)只有在前一个函数将值打包到容器中时才会被调用。否则,如果打包了错误,错误将继续在链接的容器中传播,直到找到通过名为.orElse()的方法附加了错误处理程序函数的容器(这样的方法将是允许的扩展)

注意:函数式语言允许您编写可以对任何类型的一元泛型类进行操作的函数。要实现这一点,必须为monad编写一个通用接口。我不知道是否有可能用C#编写这样的接口,但据我所知,这不是:

interface IMonad<T> { 
    static IMonad<T> create(T t); // not allowed
    public IMonad<U> flatMap<U>(Func<T, IMonad<U>> f); // not specific enough,
    // because the function must return the same kind of monad, not just any monad
}

如果您曾经使用过Powershell,Eric描述的模式听起来应该很熟悉。Powershell cmdlet是monad;功能组成由管道表示。

杰弗里·斯诺弗对埃里克·梅杰的采访更为详细。

为什么我们需要单子?

我们只想使用函数编程。(毕竟是“功能编程”-FP)。然后,我们遇到了第一个大问题。这是一个程序:f(x)=2*xg(x,y)=x/y我们怎么能说首先要执行什么?我们如何使用不超过个函数来形成一个有序的函数序列(即程序)?解决方案:组合函数。如果你先要g,然后要f,只需写f(g(x,y))。好的,但是。。。更多问题:某些函数可能会失败(即g(2,0),除以0)。我们在FP中没有“例外”。我们如何解决它?解决方案:让我们允许函数返回两种东西:而不是g:Real,Real->Real(函数从两个实数转换为实数),让我们允许g:Real、Real->Real|Nothing(函数从一个实数转换成(实数或零))。但函数应该(更简单地)只返回一件事。解决方案:让我们创建一种要返回的新类型的数据,一种“装箱类型”,它可能包含一个真实的数据,也可能只是一个空数据。因此,我们可以有g:真实,真实->可能真实。好的,但是。。。f(g(x,y))现在发生了什么?f还没有准备好使用“也许真的”。而且,我们不想改变我们可以与g连接的每一个函数,以使用Maybe Real。解决方案:让我们有一个特殊的函数来“连接”/“组合”/“链接”函数。这样,我们就可以在幕后调整一个函数的输出,以支持下一个函数。在我们的例子中:g>>=f(连接/合成g到f)。我们希望>>=获取g的输出,检查它,如果它是Nothing,则不要调用f并返回Nothing;或者相反,提取装箱的实数并用它来馈送f。(此算法只是Maye类型的>>=的实现)。出现了许多其他问题,可以使用相同的模式来解决:1。使用“框”来编码/存储不同的含义/值,并具有像g这样的函数来返回这些“框值”。2.让作曲家/链接器g>>=f帮助将g的输出连接到f的输入,这样我们就不必改变f。使用该技术可以解决的显著问题有:具有函数序列中的每个函数(“程序”)可以共享的全局状态:解StateMonad。我们不喜欢“不纯函数”:对相同输入产生不同输出的函数。因此,让我们标记这些函数,使它们返回一个标记/装箱的值:IOmonad。

完全幸福!!!!

monad是一种封装值的数据类型,本质上可以对其应用两个操作:

返回x创建封装x的monad类型的值m>>=f(读作“绑定运算符”)将函数f应用于monad m中的值

这就是monad。还有一些技术问题,但基本上这两个操作定义了monad。真正的问题是,“monad做什么?”,这取决于monad-列表是monad,Maybes是monad;IO操作是monad。当我们说这些东西是monad时,这意味着它们具有返回和>>=的monad接口。

monad在OO中是否具有“自然”解释取决于monad。在像Java这样的语言中,您可以将may monad转换为检查空指针的语言,这样失败的计算(即,在Haskell中生成Nothing)会将空指针作为结果发出。您可以将状态monad转换为通过创建可变变量和更改其状态的方法生成的语言。

monad是内函子范畴中的幺半群。

这句话所表达的信息非常深刻。你在一个monad中使用任何命令式语言。monad是一种“有序”的领域特定语言。它满足某些有趣的财产,这些属性使单子函数成为“命令式编程”的数学模型。Haskell使定义小型(或大型)命令式语言变得容易,这些语言可以以多种方式组合。

作为一名OO程序员,您使用语言的类层次结构来组织可以在上下文中调用的函数或过程的类型,即您所称的对象。monad也是对这个概念的抽象,因为不同的monad可以以任意方式组合,有效地将所有子monad的方法“导入”到范围中。

从体系结构上讲,然后使用类型签名来明确表示可以使用哪些上下文来计算值。

可以使用monad转换器来实现这一目的,并且有一个高质量的所有“标准”monad集合:

列表(通过将列表视为域进行非确定性计算)可能(计算可能失败,但报告不重要)错误(可能失败并需要异常处理的计算Reader(可以由普通Haskell函数组合表示的计算)编写器(使用顺序“渲染”/“记录”(到字符串、html等)进行计算)续(续)IO(取决于底层计算机系统的计算)状态(上下文包含可修改值的计算)

具有相应的monad变压器和类型类别。类型类允许通过统一monad的接口来组合monad,从而使具体monad可以实现monad“类”的标准接口。例如,模块Control.Monad.State包含一个类MonadState s m,(State s)是表单的一个实例

instance MonadState s (State s) where
    put = ...
    get = ...

长话短说,monad是一个函子,它将“上下文”附加到一个值上,它可以向monad中注入一个值,并且可以根据附加到它上的上下文来评估值,至少是以受限的方式。

So:

return :: a -> m a

是一个函数,它将a类型的值注入到m类型的monad“action”中。

(>>=) :: m a -> (a -> m b) -> m b

是一个执行monad操作、评估其结果并将函数应用于结果的函数。(>>=)的妙处在于结果在同一个monad中。换句话说,在m>>=f中,(>>=)从m中提取结果,并将其绑定到f,这样结果就在monad中。(或者,我们可以说(>>=)将f拉入m,并将其应用于结果。)因此,如果我们有f::a->m b和g::b->m c,我们可以“排序”动作:

m >>= f >>= g

或者,使用“do符号”

do x <- m
   y <- f x
   g y

(>>)的类型可能是发光的。它是

(>>) :: m a -> m b -> m b

它对应于C等过程语言中的(;)运算符。它允许使用以下表示法:

m = do x <- someQuery
       someAction x
       theNextAction
       andSoOn

在数学和哲学逻辑中,我们有框架和模型,这些框架和模型“自然”地用单子主义建模。解释是一种函数,它查看模型的域,并计算命题(或公式,在推广下)的真值(或推广)。在必要性的模态逻辑中,我们可能会说,如果命题在“每个可能的世界”中都是真的,那么它是必要的——如果它在每个可容许的域中都是真实的。这意味着命题语言中的模型可以具体化为一个模型,其域由不同模型的集合组成(一个对应于每个可能的世界)。每个monad都有一个名为“join”的方法,该方法将分层,这意味着结果为monad动作的每个monad动作都可以嵌入到monad中。

join :: m (m a) -> m a

更重要的是,这意味着monad在“层堆叠”操作下关闭。这就是monad转换器的工作原理:它们通过为以下类型提供“类联接”方法来组合monad:

newtype MaybeT m a = MaybeT { runMaybeT :: m (Maybe a) }

这样我们就可以将(MaybeT m)中的作用转换为m中的作用,有效地折叠层。在本例中,runMaybeT::MaybeT m a->m(Maybe a)是我们的类联接方法。(MaybeT m)是一个monad,MaybeT::m(Maybe a)->MaybeT ma实际上是m中一个新类型monad动作的构造函数。

函子的自由单元是通过堆叠f生成的单元,这意味着f的每个构造函数序列都是自由单元的元素(或者更确切地说,是与f的构造函数序列树形状相同的元素)。自由单体是一种用最少的锅炉板构建柔性单体的有用技术。在Haskell程序中,我可能会使用自由monad来为“高级系统编程”定义简单monad,以帮助维护类型安全(我只是在使用类型及其声明。使用组合子可以直接实现):

data RandomF r a = GetRandom (r -> a) deriving Functor
type Random r a = Free (RandomF r) a


type RandomT m a = Random (m a) (m a) -- model randomness in a monad by computing random monad elements.
getRandom     :: Random r r
runRandomIO   :: Random r a -> IO a (use some kind of IO-based backend to run)
runRandomIO'  :: Random r a -> IO a (use some other kind of IO-based backend)
runRandomList :: Random r a -> [a]  (some kind of list-based backend (for pseudo-randoms))

Monastem是您可能称之为“解释器”或“命令”模式的基础架构,抽象为最清晰的形式,因为每个单元计算都必须“运行”,至少是微不足道的。(运行时系统为我们运行IO monad,是任何Haskell程序的入口点。IO通过按顺序运行IO操作来“驱动”其余的计算)。

join的类型也是我们得到monad是内函子范畴中的幺半群的陈述的地方。由于其类型,联接对于理论目的来说通常更为重要。但了解类型意味着了解单子。Join和monad变换器的类Join类型在函数组合的意义上是内函子的有效组合。把它放在类似Haskell的伪语言中,

Foo::m(m a)<->(m.m)a