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

第一:如果你不是数学家,monad这个词有点空洞。另一个术语是计算构建器,它更能描述它们的实际用途。

它们是链接操作的模式。它看起来有点像面向对象语言中的方法链接,但机制略有不同。

该模式主要用于函数式语言(特别是Haskell,它普遍使用monad),但也可以用于支持高阶函数的任何语言(即可以将其他函数作为参数的函数)。

JavaScript中的数组支持该模式,因此让我们将其作为第一个示例。

模式的要点是我们有一个类型(在本例中为Array),它有一个以函数作为参数的方法。提供的操作必须返回相同类型的实例(即返回数组)。

首先是一个不使用monad模式的方法链接示例:

[1,2,3].map(x => x + 1)

结果是[2,3,4]。代码不符合monad模式,因为我们作为参数提供的函数返回的是数字,而不是数组。monad形式的相同逻辑是:

[1,2,3].flatMap(x => [x + 1])

这里我们提供了一个返回Array的操作,所以现在它符合模式。flatMap方法为数组中的每个元素执行提供的函数。它期望每个调用都有一个数组作为结果(而不是单个值),但将得到的数组集合并为一个数组。所以最终的结果是相同的,数组[2,3,4]。

(提供给map或flatMap等方法的函数参数在JavaScript中通常称为“回调”。我将其称为“操作”,因为它更通用。)

如果我们连锁多个操作(以传统方式):

[1,2,3].map(a => a + 1).filter(b => b != 3)

数组中的结果[2,4]

monad形式的相同链接:

[1,2,3].flatMap(a => [a + 1]).flatMap(b => b != 3 ? [b] : [])

产生相同的结果,即数组[2,4]。

您将立即注意到monad格式比非monad格式更难看!这正好表明单子不一定“好”。它们是一种有时有益有时不有益的模式。

请注意,monad模式可以以不同的方式组合:

[1,2,3].flatMap(a => [a + 1].flatMap(b => b != 3 ? [b] : []))

这里的绑定是嵌套的,而不是链式的,但结果是一样的。这是单子的一个重要属性,我们稍后会看到。这意味着组合的两个操作可以被视为单个操作。

该操作允许返回具有不同元素类型的数组,例如,将数字数组转换为字符串数组或其他东西;只要它仍然是一个数组。

这可以使用Typescript表示法更正式地描述。数组的类型为array<T>,其中T是数组中元素的类型。flatMap()方法接受类型为T=>Array<U>的函数参数,并返回一个Array<U>。

一般来说,monad是任何类型的Foo<Bar>,它有一个“bind”方法,该方法接受类型为Bar=>Foo<Baz>的函数参数,并返回一个Foo<Baz>。

这回答了单子是什么。这个答案的其余部分将试图通过示例来解释为什么monads在Haskell这样的语言中是一种有用的模式,而Haskell对monads有很好的支持。

Haskell和Do表示法

要将map/filter示例直接转换为Haskell,我们将flatMap替换为>>=运算符:

[1,2,3] >>= \a -> [a+1] >>= \b -> if b == 3 then [] else [b] 

>>=运算符是Haskell中的绑定函数。当操作数是一个列表时,它与JavaScript中的flatMap相同,但对于其他类型,它被重载了不同的含义。

但是Haskell还为monad表达式提供了专用语法do块,它完全隐藏了绑定运算符:

 do a <- [1,2,3] 
    b <- [a+1] 
    if b == 3 then [] else [b] 

这将隐藏“管道”,并让您专注于在每个步骤中应用的实际操作。

在do块中,每一行都是一个操作。约束仍然认为块中的所有操作都必须返回相同的类型。因为第一个表达式是一个列表,所以其他操作也必须返回一个列表。

向后箭头<-看起来像赋值,但请注意,这是绑定中传递的参数。因此,当右侧的表达式是整数列表时,左侧的变量将是一个整数,但将对列表中的每个整数执行。

示例:安全导航(Maybe类型)

关于列表,让我们来看看monad模式如何对其他类型有用。

某些函数可能不总是返回有效值。在Haskell中,这由Maybe类型表示,该类型是Just value或Nothing选项。

总是返回有效值的链接操作当然很简单:

streetName = getStreetName (getAddress (getUser 17)) 

但如果任何函数都可以返回Nothing呢?我们需要单独检查每个结果,如果不是Nothing,则只将值传递给下一个函数:

case getUser 17 of
      Nothing -> Nothing 
      Just user ->
         case getAddress user of
            Nothing -> Nothing 
            Just address ->
              getStreetName address

很多重复检查!想象一下如果链条更长。Haskell用Maybe的monad模式解决了这个问题:

do
  user <- getUser 17
  addr <- getAddress user
  getStreetName addr

这个do块调用Maybe类型的绑定函数(因为第一个表达式的结果是Maybe)。绑定函数仅在值为Just值时执行以下操作,否则只传递Nothing。

这里使用monad模式来避免重复代码。这与其他一些语言使用宏来简化语法的方式类似,尽管宏以非常不同的方式实现了相同的目标。

请注意,Haskell中monad模式和monad友好语法的结合导致了代码更干净。在JavaScript这样的语言中,如果没有对monad的任何特殊语法支持,我怀疑monad模式是否能够在这种情况下简化代码。

可变状态

Haskell不支持可变状态。所有变量都是常量,所有值都是不可变的。但State类型可用于模拟具有可变状态的编程:

add2 :: State Integer Integer
add2 = do
        -- add 1 to state
         x <- get
         put (x + 1)
         -- increment in another way
         modify (+1)
         -- return state
         get


evalState add2 7
=> 9

add2函数构建一个monad链,然后以7作为初始状态对其求值。

显然,这在Haskell中才有意义。其他语言支持开箱即用的可变状态。Haskell通常在语言特性上是“选择加入”的——您可以在需要时启用可变状态,并且类型系统确保效果是显式的。IO是这方面的另一个例子。

IO

IO类型用于链接和执行“不纯”函数。

与任何其他实用语言一样,Haskell有一系列与外界接口的内置函数:putStrLine、readLine等。这些函数被称为“不纯”,因为它们要么会产生副作用,要么会产生不确定性的结果。即使是像获取时间这样简单的事情也被认为是不纯洁的,因为结果是不确定的——用相同的参数调用两次可能会返回不同的值。

纯函数是确定性的——它的结果完全取决于传递的参数,除了返回值之外,它对环境没有任何副作用。

Haskell大力鼓励使用纯函数——这是该语言的一个主要卖点。不幸的是,对于纯粹主义者来说,你需要一些不纯的函数来做任何有用的事情。Haskell折衷方案是将纯函数和不纯函数彻底分开,并保证纯函数无法直接或间接执行不纯函数。

这是通过给所有不纯函数赋予IO类型来保证的。Haskell程序的入口点是具有IO类型的主函数,因此我们可以在顶层执行不纯的函数。

但是该语言如何防止纯函数执行不纯函数?这是因为Haskell的懒惰本性。只有当某个函数的输出被其他函数消耗时,才执行该函数。但除了将IO值分配给main之外,没有办法使用它。因此,如果一个函数想要执行一个不纯的函数,它必须连接到main并具有IO类型。

对IO操作使用monad链接还可以确保它们以线性和可预测的顺序执行,就像命令式语言中的语句一样。

这让我们看到大多数人会用Haskell编写的第一个程序:

main :: IO ()
main = do 
        putStrLn ”Hello World”

当只有一个操作,因此没有什么要绑定时,do关键字是多余的,但为了保持一致性,我还是保留了它。

()类型表示“无效”。这种特殊的返回类型仅适用于因其副作用而调用的IO函数。

更长的示例:

main = do
    putStrLn "What is your name?"
    name <- getLine
    putStrLn "hello" ++ name

这构建了一个IO操作链,因为它们被分配给主功能,所以它们被执行。

将IO与Maybe进行比较表明了monad模式的多功能性。对于Maybe,该模式用于通过将条件逻辑移动到绑定函数来避免重复代码。对于IO,该模式用于确保IO类型的所有操作都是有序的,并且IO操作不会“泄漏”到纯函数。

总结

在我的主观看法中,monad模式只有在对该模式有一些内置支持的语言中才真正有价值。否则,它只会导致过于复杂的代码。但是Haskell(和其他一些语言)有一些内置支持,隐藏了繁琐的部分,然后该模式可以用于各种有用的事情。喜欢:

避免重复代码(可能)为程序的分隔区域添加可变状态或异常等语言特性。将讨厌的东西与美好的东西隔离开来(IO)嵌入式域特定语言(解析器)将GOTO添加到语言中。

其他回答

事实上,与一般人对蒙得斯的理解相反,他们与国家无关。Monads只是一种包装东西的方法,它提供了对包装好的东西进行操作而不展开的方法。

例如,您可以在Haskell中创建一个类型来包装另一个类型:

data Wrapped a = Wrap a

包装我们定义的东西

return :: a -> Wrapped a
return x = Wrap x

要在不展开的情况下执行操作,假设您有一个函数f::a->b,然后您可以执行此操作来提升该函数以作用于包装的值:

fmap :: (a -> b) -> (Wrapped a -> Wrapped b)
fmap f (Wrap x) = Wrap (f x)

这就是所有需要理解的。然而,事实证明,有一个更通用的函数来执行此提升,即bind:

bind :: (a -> Wrapped b) -> (Wrapped a -> Wrapped b)
bind f (Wrap x) = f x

bind可以比fmap做得更多,但反之亦然。实际上,fmap只能用绑定和返回来定义。因此,在定义monad时。。您给出它的类型(这里是Wrapped a),然后说明它的返回和绑定操作是如何工作的。

很酷的是,这是一个普遍的模式,它会在所有地方弹出,以纯方式封装状态只是其中之一。

有关如何使用monad来引入函数依赖关系,从而控制求值顺序(如Haskell的IO monad中所用)的好文章,请查看IOInside。

至于理解单子,不要太担心。读一些你觉得有趣的东西,如果你不马上理解,也不要担心。那就用Haskell这样的语言潜水吧。修道院就是这样一种东西,在那里,通过练习,理解慢慢地进入你的大脑,有一天你突然意识到你理解了它们。

如果我理解正确的话,IEnumerable是从monad派生出来的。我想知道,对于我们这些来自C#世界的人来说,这可能是一个有趣的视角吗?

值得一提的是,这里有一些帮助我的教程链接(不,我还不知道单子是什么)。

http://osteele.com/archives/2007/12/overloading-semicolonhttp://spbhug.folding-maps.org/wiki/MonadsEnhttp://www.loria.fr/~kow/monads/

在了解这些信息时,对我帮助最大的两件事是:

第8章,“函数解析器”,摘自Graham Hutton的《Haskell编程》一书。实际上,这根本没有提到monad,但如果您能够通读第章并真正理解其中的所有内容,特别是如何评估一系列绑定操作,您将了解monad的内部结构。预计这需要多次尝试。

关于修道院的教程。这提供了几个很好的例子来说明它们的用途,我不得不说,我在Appendex中的类比是为我工作的。

在Coursera“反应式编程原理”培训中,Erik Meier将其描述为:

"Monads are return types that guide you through the happy path." -Erik Meijer

解释

当用C#/Java术语解释时,这很简单:

monad是一个接受参数并返回特殊类型的函数。这个monad返回的特殊类型也称为monad。(monad是#1和#2的组合)有一些语法糖可以使调用此函数和类型转换更容易。

实例

monad有助于使函数式程序员的生活更轻松。典型示例:Maye monad接受两个参数,一个值和一个函数。如果传递的值为null,则返回null。否则它将计算函数。如果我们需要一个特殊的返回类型,我们也可以调用这个返回类型Maybe。一个非常粗糙的实现如下所示:

object Maybe(object value, Func<object,object> function)
{
    if(value==null)
        return null;

    return function(value);
}

这在C#中是非常无用的,因为这种语言缺乏使monad有用所需的语法糖。但是monad允许您用函数式编程语言编写更简洁的代码。

通常程序员在链中调用monad,如下所示:

var x = Maybe(x, x2 => Maybe(y, y2 => Add(x2, y2)));

在本例中,只有当x和y都为非null时,才会调用Add方法,否则将返回null。

答复

回答最初的问题:monad是一个函数和一个类型。就像一个特殊接口的实现。