在最近简要回顾了Haskell之后，对于monad本质上是什么，有什么简单、简洁、实用的解释？
我发现，我遇到的大多数解释都很难理解，而且缺乏实际细节。
当前回答
monad是一种将共享共同上下文的计算组合在一起的方法。这就像建立一个管道网络。当构建网络时，没有数据流过它。但是当我用“bind”和“return”将所有位拼接在一起后，我调用类似runMyMonad monad数据的东西，数据流过管道。
其他回答
monad是用于封装状态变化的对象的东西。在不允许您具有可修改状态的语言（例如，Haskell）中最常遇到这种情况。
例如文件I/O。
您将能够使用文件I/O的monad来将不断变化的状态本质与使用monad的代码隔离开来。Monad内部的代码可以有效地忽略Monad外部世界的变化状态，这使您更容易理解程序的整体效果。
Monad用于控制流，就像抽象数据类型用于数据一样。
换句话说，许多开发人员对集合、列表、字典（或哈希、或地图）和树的概念很熟悉。在这些数据类型中有许多特殊情况（例如InsertionOrderPreservingIdentityHashMap）。
然而，当面对程序“流”时，许多开发人员还没有接触到比if、switch/case、do、while、goto（grr）和（可能）闭包更多的构造。
因此，monad只是一个控制流构造。替代monad的更好短语是“控制类型”。
因此，monad具有用于控制逻辑、语句或函数的槽——数据结构中的等价物是，某些数据结构允许您添加数据，并删除数据。
例如，“if”monad：
if( clause ) then block
最简单的是有两个槽：一个子句和一个块。if monad通常用于评估子句的结果，如果不是false，则评估块。许多开发人员在学习“如果”时并没有接触到monad，而且编写有效的逻辑并不需要理解monad。
monad可能会变得更复杂，就像数据结构可能变得更复杂一样，但monad有很多大类可能具有相似的语义，但实现和语法不同。
当然，数据结构可以在单子上迭代或遍历，也可以以同样的方式进行评估。
编译器可能支持也可能不支持用户定义的monad。哈斯克尔当然知道。Ioke有一些类似的功能，尽管语言中没有使用monad一词。
tl；博士
{-# LANGUAGE InstanceSigs #-}
newtype Id t = Id t
instance Monad Id where
return :: t -> Id t
return = Id
(=<<) :: (a -> Id b) -> Id a -> Id b
f =<< (Id x) = f x
开场白
应用程序运算符$of函数
forall a b. a -> b
是规范定义的
($) :: (a -> b) -> a -> b
f $ x = f x
infixr 0 $
根据Haskell基函数应用f x（infixl 10）。
作文定义为$as
(.) :: (b -> c) -> (a -> b) -> (a -> c)
f . g = \ x -> f $ g x
infixr 9 .
并且满足所有f g h的等价性。
f . id = f :: c -> d Right identity
id . g = g :: b -> c Left identity
(f . g) . h = f . (g . h) :: a -> d Associativity
.是关联的，id是它的右标识和左标识。
克莱斯利三人组
在编程中，monad是带有monad类型类实例的函子类型构造函数。定义和实现有几个等价的变体，每个变体对monad抽象的直觉略有不同。
函子是带有函子类型类实例的*->*类型的类型构造函数f。
{-# LANGUAGE KindSignatures #-}
class Functor (f :: * -> *) where
map :: (a -> b) -> (f a -> f b)
除了遵循静态强制类型协议之外，函子类型类的实例必须遵守所有f g的代数函子定律。
map id = id :: f t -> f t Identity
map f . map g = map (f . g) :: f a -> f c Composition / short cut fusion
函数计算具有以下类型
forall f t. Functor f => f t
计算c r包含上下文c中的结果r。
一元一元函数或Kleisli箭头的类型为
forall m a b. Functor m => a -> m b
Kleisi箭头是接受一个参数a并返回一元计算m b的函数。
Monads是用Kleisli三重函数定义的
(m, return, (=<<))
实现为类型类
class Functor m => Monad m where
return :: t -> m t
(=<<) :: (a -> m b) -> m a -> m b
infixr 1 =<<
Kleisli标识返回是一个Kleisli箭头，它将值t提升为单元上下文m。
Kleisli组成<=<根据扩展定义为
(<=<) :: Monad m => (b -> m c) -> (a -> m b) -> (a -> m c)
f <=< g = \ x -> f =<< g x
infixr 1 <=<
<=<组成两个Kleisli箭头，将左箭头应用于右箭头应用的结果。
monad类型类的实例必须遵守monad定律，这在Kleisli组合中最为优雅地表述为：forall f g h。
f <=< return = f :: c -> m d Right identity
return <=< g = g :: b -> m c Left identity
(f <=< g) <=< h = f <=< (g <=< h) :: a -> m d Associativity
<=<是关联的，返回是它的右标识和左标识。
身份
标识类型
type Id t = t
是类型上的标识函数
Id :: * -> *
被解释为函子，
return :: t -> Id t
= id :: t -> t
(=<<) :: (a -> Id b) -> Id a -> Id b
= ($) :: (a -> b) -> a -> b
(<=<) :: (b -> Id c) -> (a -> Id b) -> (a -> Id c)
= (.) :: (b -> c) -> (a -> b) -> (a -> c)
在规范的Haskell中，定义了身份monad
newtype Id t = Id t
instance Functor Id where
map :: (a -> b) -> Id a -> Id b
map f (Id x) = Id (f x)
instance Monad Id where
return :: t -> Id t
return = Id
(=<<) :: (a -> Id b) -> Id a -> Id b
f =<< (Id x) = f x
选项
选项类型
data Maybe t = Nothing | Just t
编码计算可能t不一定产生结果t，计算可能“失败”。选项monad已定义
instance Functor Maybe where
map :: (a -> b) -> (Maybe a -> Maybe b)
map f (Just x) = Just (f x)
map _ Nothing = Nothing
instance Monad Maybe where
return :: t -> Maybe t
return = Just
(=<<) :: (a -> Maybe b) -> Maybe a -> Maybe b
f =<< (Just x) = f x
_ =<< Nothing = Nothing
a->Maybe b仅在Maybe a产生结果时应用于结果。
newtype Nat = Nat Int
自然数可以编码为大于或等于零的整数。
toNat :: Int -> Maybe Nat
toNat i | i >= 0 = Just (Nat i)
| otherwise = Nothing
自然数在减法下不是封闭的。
(-?) :: Nat -> Nat -> Maybe Nat
(Nat n) -? (Nat m) = toNat (n - m)
infixl 6 -?
选项monad涵盖了异常处理的基本形式。
(-? 20) <=< toNat :: Int -> Maybe Nat
List
列表monad，覆盖列表类型
data [] t = [] | t : [t]
infixr 5 :
及其加法幺半群运算“append”
(++) :: [t] -> [t] -> [t]
(x : xs) ++ ys = x : xs ++ ys
[] ++ ys = ys
infixr 5 ++
编码非线性计算[t]，产生自然量0，1。。。结果t。
instance Functor [] where
map :: (a -> b) -> ([a] -> [b])
map f (x : xs) = f x : map f xs
map _ [] = []
instance Monad [] where
return :: t -> [t]
return = (: [])
(=<<) :: (a -> [b]) -> [a] -> [b]
f =<< (x : xs) = f x ++ (f =<< xs)
_ =<< [] = []
Extension=<<将从Kleisli箭头a->[b]的应用f x到[a]的元素的所有列表[b]连接到一个结果列表[b]。
设正整数n的正除数为
divisors :: Integral t => t -> [t]
divisors n = filter (`divides` n) [2 .. n - 1]
divides :: Integral t => t -> t -> Bool
(`divides` n) = (== 0) . (n `rem`)
then
forall n. let { f = f <=< divisors } in f n = []
在定义monad类型类时，Haskell标准使用其flip，即绑定运算符>>=，而不是extension=<<。
class Applicative m => Monad m where
(>>=) :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
(>>) :: forall a b. m a -> m b -> m b
m >> k = m >>= \ _ -> k
{-# INLINE (>>) #-}
return :: a -> m a
return = pure
为了简单起见，本解释使用了类型类层次结构
class Functor f
class Functor m => Monad m
在Haskell中，当前的标准层次结构是
class Functor f
class Functor p => Applicative p
class Applicative m => Monad m
因为不仅每个单子都是函子，而且每个应用格也是函子，每个单子也是应用格。
使用列表monad，命令式伪代码
for a in (1, ..., 10)
for b in (1, ..., 10)
p <- a * b
if even(p)
yield p
大致翻译为do块，
do a <- [1 .. 10]
b <- [1 .. 10]
let p = a * b
guard (even p)
return p
等效的monad理解，
[ p | a <- [1 .. 10], b <- [1 .. 10], let p = a * b, even p ]
和表达式
[1 .. 10] >>= (\ a ->
[1 .. 10] >>= (\ b ->
let p = a * b in
guard (even p) >> -- [ () | even p ] >>
return p
)
)
Do符号和monad理解是嵌套绑定表达式的语法糖。绑定运算符用于一元结果的本地名称绑定。
let x = v in e = (\ x -> e) $ v = v & (\ x -> e)
do { r <- m; c } = (\ r -> c) =<< m = m >>= (\ r -> c)
哪里
(&) :: a -> (a -> b) -> b
(&) = flip ($)
infixl 0 &
定义了防护功能
guard :: Additive m => Bool -> m ()
guard True = return ()
guard False = fail
其中单位类型或“空元组”
data () = ()
支持选择和失败的加法单子可以通过使用类型类抽象
class Monad m => Additive m where
fail :: m t
(<|>) :: m t -> m t -> m t
infixl 3 <|>
instance Additive Maybe where
fail = Nothing
Nothing <|> m = m
m <|> _ = m
instance Additive [] where
fail = []
(<|>) = (++)
其中fail和<|>形成所有k l m的幺半群。
k <|> fail = k
fail <|> l = l
(k <|> l) <|> m = k <|> (l <|> m)
失败的是吸收/消灭零元素的加法单体
_ =<< fail = fail
如果在
guard (even p) >> return p
即使p为真，则保护产生[（）]，并且根据>>的定义，产生局部常数函数
\ _ -> return p
应用于结果（）。如果为false，则保护生成列表monad的fail（[]），这不会产生要应用>>的Kleisli箭头的结果，因此跳过此p。
状态
不光彩的是，monad用于编码有状态计算。
状态处理器是一种功能
forall st t. st -> (t, st)
转换状态st并产生结果t。状态st可以是任何东西。没有，标志，计数，数组，句柄，机器，世界。
状态处理器的类型通常称为
type State st t = st -> (t, st)
状态处理器monad是kind*->*函子state st.Kleisli状态处理器mond的箭头是函数
forall st a b. a -> (State st) b
在规范的Haskell中，定义了状态处理器monad的惰性版本
newtype State st t = State { stateProc :: st -> (t, st) }
instance Functor (State st) where
map :: (a -> b) -> ((State st) a -> (State st) b)
map f (State p) = State $ \ s0 -> let (x, s1) = p s0
in (f x, s1)
instance Monad (State st) where
return :: t -> (State st) t
return x = State $ \ s -> (x, s)
(=<<) :: (a -> (State st) b) -> (State st) a -> (State st) b
f =<< (State p) = State $ \ s0 -> let (x, s1) = p s0
in stateProc (f x) s1
状态处理器通过提供初始状态来运行：
run :: State st t -> st -> (t, st)
run = stateProc
eval :: State st t -> st -> t
eval = fst . run
exec :: State st t -> st -> st
exec = snd . run
状态访问由原语get和put提供，它们是对有状态monad的抽象方法：
{-# LANGUAGE MultiParamTypeClasses, FunctionalDependencies #-}
class Monad m => Stateful m st | m -> st where
get :: m st
put :: st -> m ()
m->st声明状态类型st对monad m的函数依赖性；例如，状态t将确定状态类型为t唯一。
instance Stateful (State st) st where
get :: State st st
get = State $ \ s -> (s, s)
put :: st -> State st ()
put s = State $ \ _ -> ((), s)
单位类型类似于C中的空隙。
modify :: Stateful m st => (st -> st) -> m ()
modify f = do
s <- get
put (f s)
gets :: Stateful m st => (st -> t) -> m t
gets f = do
s <- get
return (f s)
gets通常与记录字段访问器一起使用。
状态monad等价于变量线程
let s0 = 34
s1 = (+ 1) s0
n = (* 12) s1
s2 = (+ 7) s1
in (show n, s2)
其中s0：：Int，是同样透明的，但更加优雅和实用
(flip run) 34
(do
modify (+ 1)
n <- gets (* 12)
modify (+ 7)
return (show n)
)
modify（+1）是一种类型为State Int（）的计算，但其效果等同于return（）。
(flip run) 34
(modify (+ 1) >>
gets (* 12) >>= (\ n ->
modify (+ 7) >>
return (show n)
)
)
结合性的单子定律可以用>>=forall m f g来表示。
(m >>= f) >>= g = m >>= (\ x -> f x >>= g)
or
do { do { do {
r1 <- do { x <- m; r0 <- m;
r0 <- m; = do { = r1 <- f r0;
f r0 r1 <- f x; g r1
}; g r1 }
g r1 }
} }
与面向表达式的编程（例如Rust）一样，块的最后一条语句表示其产量。绑定运算符有时被称为“可编程分号”。
对结构化命令式编程中的迭代控制结构原语进行单点仿真
for :: Monad m => (a -> m b) -> [a] -> m ()
for f = foldr ((>>) . f) (return ())
while :: Monad m => m Bool -> m t -> m ()
while c m = do
b <- c
if b then m >> while c m
else return ()
forever :: Monad m => m t
forever m = m >> forever m
输入/输出
data World
I/O世界状态处理器monad是纯Haskell和真实世界的协调，是功能外延和命令式操作语义的协调。与实际严格执行情况类似：
type IO t = World -> (t, World)
不纯洁的原语促进了交互
getChar :: IO Char
putChar :: Char -> IO ()
readFile :: FilePath -> IO String
writeFile :: FilePath -> String -> IO ()
hSetBuffering :: Handle -> BufferMode -> IO ()
hTell :: Handle -> IO Integer
. . . . . .
使用IO原语的代码的杂质由类型系统永久协议化。因为纯净是可怕的，在IO中发生的一切，都留在IO中。
unsafePerformIO :: IO t -> t
或者，至少应该。
Haskell程序的类型签名
main :: IO ()
main = putStrLn "Hello, World!"
扩展到
World -> ((), World)
改变世界的函数。
后记
对象是Haskell类型，态射是Haskelr类型之间的函数的类别是，“快速和松散”，类别是Hask。
函子T是从范畴C到范畴D的映射；对于C中的每个对象，D中的一个对象
Tobj : Obj(C) -> Obj(D)
f :: * -> *
对于C中的每个态射，D中的一个态射
Tmor : HomC(X, Y) -> HomD(Tobj(X), Tobj(Y))
map :: (a -> b) -> (f a -> f b)
其中X，Y是C中的对象。HomC（X，Y）是C中所有态射X->Y的同态类。
Tmor Tobj
T(id) = id : T(X) -> T(X) Identity
T(f) . T(g) = T(f . g) : T(X) -> T(Z) Composition
范畴C的Kleisli范畴由Kleisli三元组给出
<T, eta, _*>
内函子的
T : C -> C
（f） 、同一态射eta（return）和扩展运算符*（=<<）。
Hask中的每个Kleisli态射
f : X -> T(Y)
f :: a -> m b
由扩展运算符
(_)* : Hom(X, T(Y)) -> Hom(T(X), T(Y))
(=<<) :: (a -> m b) -> (m a -> m b)
在Hask的Kleisli范畴中给出了一个态射
f* : T(X) -> T(Y)
(f =<<) :: m a -> m b
Kleisli范畴中的成分。T以扩展的形式给出
f .T g = f* . g : X -> T(Z)
f <=< g = (f =<<) . g :: a -> m c
并且满足范畴公理
eta .T g = g : Y -> T(Z) Left identity
return <=< g = g :: b -> m c
f .T eta = f : Z -> T(U) Right identity
f <=< return = f :: c -> m d
(f .T g) .T h = f .T (g .T h) : X -> T(U) Associativity
(f <=< g) <=< h = f <=< (g <=< h) :: a -> m d
应用等价变换
eta .T g = g
eta* . g = g By definition of .T
eta* . g = id . g forall f. id . f = f
eta* = id forall f g h. f . h = g . h ==> f = g
(f .T g) .T h = f .T (g .T h)
(f* . g)* . h = f* . (g* . h) By definition of .T
(f* . g)* . h = f* . g* . h . is associative
(f* . g)* = f* . g* forall f g h. f . h = g . h ==> f = g
在扩展方面是规范给出的
eta* = id : T(X) -> T(X) Left identity
(return =<<) = id :: m t -> m t
f* . eta = f : Z -> T(U) Right identity
(f =<<) . return = f :: c -> m d
(f* . g)* = f* . g* : T(X) -> T(Z) Associativity
(((f =<<) . g) =<<) = (f =<<) . (g =<<) :: m a -> m c
Monads也可以不使用Kleislian扩展来定义，而是在称为join的编程中使用自然转换mu来定义。一个单元是用μ来定义的，它是一个内函子的范畴C上的三元组
T : C -> C
f :: * -> *
和两种自然变形
eta : Id -> T
return :: t -> f t
mu : T . T -> T
join :: f (f t) -> f t
满足等效条件
mu . T(mu) = mu . mu : T . T . T -> T . T Associativity
join . map join = join . join :: f (f (f t)) -> f t
mu . T(eta) = mu . eta = id : T -> T Identity
join . map return = join . return = id :: f t -> f t
然后定义monad类型类
class Functor m => Monad m where
return :: t -> m t
join :: m (m t) -> m t
选项monad的规范mu实现：
instance Monad Maybe where
return = Just
join (Just m) = m
join Nothing = Nothing
concat函数
concat :: [[a]] -> [a]
concat (x : xs) = x ++ concat xs
concat [] = []
是列表monad的连接。
instance Monad [] where
return :: t -> [t]
return = (: [])
(=<<) :: (a -> [b]) -> ([a] -> [b])
(f =<<) = concat . map f
联接的实现可以使用等价项从扩展形式转换
mu = id* : T . T -> T
join = (id =<<) :: m (m t) -> m t
从mu到扩展形式的反向转换如下
f* = mu . T(f) : T(X) -> T(Y)
(f =<<) = join . map f :: m a -> m b
Philip Wadler:函数编程的MonadsSimon L Peyton Jones，Philip Wadler：强制函数式编程Jonathan M.D.Hill，Keith Clarke：范畴理论、范畴理论单子及其与函数编程的关系简介´Kleisli类别Eugenio Moggi：计算和单子的概念莫纳德不是什么
但为什么如此抽象的理论对编程有用呢？答案很简单：作为计算机科学家，我们重视抽象！当我们设计软件组件的接口时，我们希望它尽可能少地揭示实现。我们希望能够用许多替代方案来替代实现，许多其他“实例”都是相同的“概念”。当我们为许多程序库设计通用接口时，更重要的是我们选择的接口具有多种实现。我们非常重视monad概念的普遍性，这是因为范畴理论非常抽象，所以它的概念对编程非常有用。因此，我们在下面介绍的单子的推广也与范畴理论有着密切的联系，这一点不足为奇。但我们强调，我们的目的非常实用：它不是“实现范畴理论”，而是找到一种更通用的方法来构造组合子库。数学家已经为我们做了很多工作，这是我们的幸运！
从约翰·休斯的《概括单子到箭头》
经过努力，我想我终于明白了单子。在重新阅读了我自己对绝大多数投票结果的冗长批评之后，我将给出这个解释。
要理解单子，需要回答三个问题：
你为什么需要蒙纳德？什么是单子？如何实现monad？
正如我在最初的评论中所指出的，有太多的monad解释被第3个问题所困扰，没有，也没有充分地涵盖第2个问题或第1个问题。
你为什么需要蒙纳德？
Haskell等纯函数式语言与C或Java等命令式语言的不同之处在于，纯函数式程序不一定按特定顺序执行，一步一步执行。Haskell程序更类似于一个数学函数，在该函数中，您可以以任意数量的潜在阶数求解“方程”。这带来了许多好处，其中之一是它消除了某些类型的错误的可能性，特别是那些与“状态”相关的错误。
然而，使用这种编程风格，有些问题不是很容易解决的。有些事情，比如控制台编程和文件i/o，需要按照特定的顺序进行，或者需要维护状态。处理这个问题的一种方法是创建一种表示计算状态的对象，以及一系列将状态对象作为输入并返回新修改的状态对象的函数。
因此，让我们创建一个假设的“状态”值，它表示控制台屏幕的状态。这个值是如何构造的并不重要，但假设它是一个字节长度的ascii字符数组，表示屏幕上当前可见的内容，以及一个表示用户输入的最后一行伪代码的数组。我们已经定义了一些接受控制台状态、修改它并返回新控制台状态的函数。
consolestate MyConsole = new consolestate;
因此，要进行控制台编程，但以纯函数的方式，您需要在彼此之间嵌套许多函数调用。
consolestate FinalConsole = print(input(print(myconsole, "Hello, what's your name?")),"hello, %inputbuffer%!");
以这种方式编程保持了“纯”的功能风格，同时强制对控制台的更改按特定顺序进行。但是，我们可能希望像上面的示例一样，一次只执行几个操作。以这种方式嵌套函数将开始变得笨拙。我们想要的是基本上与上面相同的代码，但编写得更像这样：
consolestate FinalConsole = myconsole:
print("Hello, what's your name?"):
input():
print("hello, %inputbuffer%!");
这确实是一种更方便的写法。但我们如何做到这一点呢？
什么是单子？
一旦你定义了一个类型（比如consoleestate），以及一系列专门为该类型操作而设计的函数，你就可以通过定义一个操作符（比如：（bind））将这些东西的整个包变成一个“monad”，该操作符会自动将返回值输入到左边的函数参数中，转换为与特定类型的绑定运算符一起工作的函数。
如何实现monad？
看到其他答案，似乎可以很自由地跳到细节中。
如果你要求对如此抽象的东西做出简洁、实用的解释，那么你只能希望得到一个抽象的答案：
a -> b
是表示从as到bs的计算的一种方式。您可以将计算链接起来，也可以将它们组合在一起：
(b -> c) -> (a -> b) -> (a -> c)
更复杂的计算需要更复杂的类型，例如：
a -> f b
是从as到bs到fs的计算类型。您还可以编写它们：
(b -> f c) -> (a -> f b) -> (a -> f c)
事实证明，这种模式无处不在，并且与上面的第一个组合具有相同的财产（结合性、右-和左-同一性）。
人们必须给这个模式起一个名字，但如果知道第一个组合被正式描述为半群体，这会有帮助吗？
“单子和圆括号一样有趣和重要”（奥列格·基斯廖夫）
