Monaden in anderen Programmiersprachen

Transkript

1 Monaden in anderen Programmiersprachen Themen Informatik-Seminar SS 2013: Programmiersprachen und Sprachsysteme Bei: Prof. Dr. Schmidt, FH Wedel inf9500 Sebastian Philipp

2 Überblick Motivation Monaden in Haskell Monaden in C# Monaden in Ruby Monaden in Javascript

3 Motivation Wieso dieses Seminarthema?

4 Asynchrone Algorithmen Concurrency ohne Threads Funktionen rufen Callbacks auf Beispiel Node.js Callbacks sollen Nie warten Nie blockieren Schnell zurückkehren Problem: verschachtelte Callback-Handler

5 Asynchrone Netzwerk- Requests mit Qt Qt ist ein Framework für C++ Netzwerk API ist asynchron Callback wird aufgerufen, sobald Request beendet wurde. Danach neuen Request starten

6 Problem Algorithmus Sehr viele unterschiedliche Requests Rekursion HTTP-Redirekts Sessions Fehlerbehandlung Traditionelle Implementierung scheidet aus.

7 Lösung: Monaden? Asynchron: Ein Thread Progress, Abort Synchron Lokale Variablen Kontrollstrukturen (Funktionen, Rekursionen)

8 Motivation: Maybe- Funktionen Gegeben: Library-Funktionen, die Error-Codes oder Bool als return- Value liefern if (!funca(..)) return false; if (!funcb(...)) return false; Trennen von Inhalt und Fehlerbehandlung?

9 Monaden in Haskell Monaden sind parametrisierbare Typen Monaden implementieren dieses Interface: unit :: a -> m a bind :: m a -> (a -> m b) -> m b

10 Monadengesetze (unit x) `bind` f == f x x `bind` unit == x (x `bind` f) `bind` g == x `bind` (\ y -> f y `bind` g) Neutralität von unit Assoziativität von bind Infixnotation in anderen Sprachen?

11 Maybe-Monade Die einfachste Monade data Maybe a = Nothing Just a unit :: a -> Maybe a unit x = Just x bind :: Maybe a -> (a -> Maybe b) -> Maybe b bind Nothing f = Nothing bind (Just x) f = f x

12 Do-Notation func1 und func2 liefern beide möglicherweise ein Ergebnis f :: a -> Maybe b f x = do y <- func1 x z <- func2 y unit z

13 Do-Notation func1 und func2 liefern beide möglicherweise ein Ergebnis f :: a -> Maybe b f x = func1 x `bind` \ y -> func2 y `bind` \ z -> unit z

14 Monaden in Haskell Do-Notation: Einfache Transformation In Haskell sind Lambda-Ausdrücke extrem einfach. Monaden in Sprachen ohne Lambda?

15 Monaden in C# LINQ

16 LINQ LINQ ist eine Syntax in Anlehnung an SQL Ziel: Zugriff auf Daten int[] func(int[] numbers) { return from n in numbers where n > 5 select n + 1; }

17 LINQ Bindings für Datenbanken, Container, XML und Arrays XElement books = <book> <title>pro LINQ: Language Integr. Query in C# 2010</title> <author>joe Rattz</author> </book> <book> <title>pro.net 4.0 Parallel Programming in C#</title> <author>adam Freeman</author> </book> </books>");

18 LINQ var titles = from book in books.elements("book") where (string)book.element("author") == "Joe Rattz" select book.element("title"); Schlüsselwörter: from, where, select, group, orderby,... Jede LINQ-Abfrage endet mit select. Ist das ein Problem?

19 LINQ int[] linq(int[] numbers) { return from n in numbers where n > 5 select n + 1; } wird transformiert in int[] linq(int[] numbers) { return numbers.where(n => n > 5).Select(n => n + 1) }

20 LINQ und Monaden Mehrere "from.. in" - Anweisungen werden mit SelectMany zusammengebunden. public static M<B> SelectMany<A, B>( this M<A> source, Func<A, M<B>> selector ) Das ist die bind Funktion aus Haskell.

21 LINQ und Monaden public Maybe<int> DoSomeDivision(int denominator) { return from a in 12.Div(denominator) from b in a.div(2) select b; } Wie können wir die Maybe-Monade mit SelectMany implementieren?

22 Maybe Monade in C# Unser Datentyp: public interface Maybe<T> { } public class Nothing<T> : Maybe<T> { } public class Just<T> : Maybe<T> { public T Value; public Just(T value) { Value = value; } }

23 Maybe-Monade in C# Unsere unit Funktion: public static Maybe<T> ToMaybe<T>(this T value) { return new Just<T>(value); } Nicht unbedingt nötig in C#, verbessert aber die Lesbarkeit.

24 Maybe-Monade in C# Unsere bind-funktion: public static Maybe<B> { } SelectMany<A, B>( ) this Maybe<A> source, Func<A, Maybe<B>> selector var justa = source as Just<A>; return justa == null? new Nothing<B>() : selector(justa.value);

25 Async in C# und F# Async ist in C# keine Monade Nicht mithilfe der Continuation Monade implementiert Ähnlich wie eine Koroutine await yield F# : Async Workflows Ist eine Monade.

26 F# Async-Workflow let downloadandextractlinks url = async { let webclient = new System.Net.WebClient() let html = webclient.downloadstring(url : string) let! links = extractlinksasync html return url, links.count } Computational Expressions sind Monaden.

27 F# Async Die Do-Notation in F#. Construct let pat = expr in cexpr De-sugared Form let pat = expr in cexpr let! pat = expr in cexpr b.bind(expr, (fun pat -> cexpr))

28 Monaden in Ruby Ruby unterstützt mehrere Programmierparadigmen: Objektorientierung "Infix" bind Funktionale Programmierung Bekannte Funktionen: map, concat (flatten)

29 Monadengesetze in Ruby m.class.unit[x].bind[f] == f[x] x.bind[m.class.unit] == x x.bind[f].bind[g] == x.bind[lambda { y f[y].bind[y] }] Gibt es Unterschiede zu den anderen Sprachen? Wieso eckige Klammern für die Funktionsaufrufe?

30 Lazy Identitätsmonade class Id def = lam end def force # :: Id a -> end def self.unit # a -> Id a lambda { x Id.new(lambda { x }) } end def bind # :: Id a -> (a -> Id b) -> Id b x = self lambda { f f[x.force] } end end

31 Ruby Funktionsaufruf Was Funktion Lambda func Aufruf ohne Parameter Funktionsobjekt func(x) x als Parameter Syntaxfehler func (x) x als Parameter Syntaxfehler func[x] Syntaxfehler* x als Parameter func [x] [x] als Parameter x als Parameter * hier wird func ohne Parameter ausgeführt, dann das Ergebnis als Lambda interpretiert.

32 Lazy Identitätsmonade Anwendung der Identitätsmonade: x = Id.unit[20].bind[lambda { x puts x; Id.unit[x * 2] } x.force Die 20 wird nicht ausgegeben, bis wir x.force aufrufen.

33 Set-Monade require "set" class Set def self.unit # :: a -> Set a lambda { x Set.new [x] } end def bind # :: Set a -> ( a -> Set b ) -> Set b s = self lambda { f Set.new(self.map(&f).map{ x x.map{ y y} }.flatten(1)) } end

34 Set-Monade Wieso gibt es keine Set-Monade in Haskell? Wofür kann sie verwendet werden? Was ist das Ergebnis? s = Set.new [1,2,3] s.bind[lambda { x Set.new [x,x+1,x+10] }]

35 Set Monade: Mixin module Monad def map lambda { f bind[lambda { x self.class.unit[f[x]] }] } end end Mit diesem Mixin können wir map für alle möglichen Typen verwenden. Andere Funktionen sinnvoll? class Set include Monad end

36 Monaden in Javascript Keine Monade in Javascript: JQuery JQuery ist Method-Chainig

37 Monaden in Javascript Monaden sind Js-Objekte mit den Funktionen function unit(value) function bind(monad, function(value));

38 Monadengesetze in Js unit(value).bind(f) === f(value) monad.bind(unit) === monad monad.bind(f).bind(g) === monad.bind(function (value) { return f(value).bind(g) }) Gibt es Unterschiede zu Ruby?

39 Maybe-Monade in Js var Maybe = function(value) { this.value = value; }; Maybe.unit = function(value) { return new Maybe(value) };

40 Maybe-Monade in Js Vererbung mit Prototypen Maybe.prototype.bind = function(fn) { if (this.value!= null) return fn(this.value); return this; };

41 Maybe-Monade in Js Anwendung der Maybe-Monade in Js m1 = new Maybe(1); var maybe11 = m1.bind(function(v) { return new Maybe(v + 10) })

42 Maybe-Monade in Js Wir können normale Funktionen in monadische Funktionen heben: Maybe.lift = function(fn) { return function(m) { return m.bind(function(x) { return Maybe.unit(fn(x)); }) }; };

43 Maybe-Monade in Js Anwendung von maybeaddone var addone = function(val) { return val + 1; }; var maybeaddone = Maybe.lift(addOne); maybeaddone(m1).ret() // == 2 maybeaddone(new Maybe(undefined)) //undefined

44 LiftM2 in Js Maybe.liftM2 = function(fn) { return function(m1, M2) { return M1.bind(function(val1) { return M2.bind(function(val2) { return Maybe.unit(fn(val1, val2)); }); }); }; };

45 Zusammenfassung Haskell Keine Set-Monade? Schöne Do-Notation C# Kann Monaden Ruby Lambdas sind nicht First-Class-Objects Keine Do-Notations

46 Lösung: Callbacks bool putfile(file f) { network.put(f); } bool onrequestfinished() { if (network.haserror())... swich (currentstate)... } Eigenschaften Eine onrequestfinished() Methode Eine C++-Klasse Globale States Implizite Statemachine Unwartbar

47 Lösung: Synchron bool putfile(file f) { network.put(f); network.wait(); return network.haserror(); } Probleme: Extra Netzwerk-Thread Ein Request pro Thread Caching Probleme Progress Request abbrechen?