Scalaz(14)- Monad:函数组合-Kleisli to Reader
Monad Reader就是一种函数的组合。在scalaz里函数(function)本身就是Monad,自然也就是Functor和applicative。我们可以用Monadic方法进行函数组合:
- import scalaz._
- import Scalaz._
- object decompose {
- //两个测试函数
- val f = (_: Int) + //> f : Int => Int = <function1>
- val g = (_: Int) * //> g : Int => Int = <function1>
- //functor
- val h = f map g // f andThen g //> h : Int => Int = <function1>
- val h1 = g map f // f compose g //> h1 : Int => Int = <function1>
- h() //g(f(2)) //> res0: Int = 25
- h1() //f(g(2)) //> res1: Int = 13
- //applicative
- val k = (f |@| g){_ + _} //> k : Int => Int = <function1>
- k() // f(10)+g(10) //> res2: Int = 63
- //monad
- val m = g.flatMap{a => f.map(b => a+b)} //> m : Int => Int = <function1>
- val n = for {
- a <- f
- b <- g
- } yield a + b //> n : Int => Int = <function1>
- m() //> res3: Int = 63
- n() //> res4: Int = 63
- }
以上的函数f,g必须满足一定的条件才能实现组合。这个从f(g(2))或g(f(2))可以看出:必需固定有一个输入参数及输入参数类型和函数结果类型必需一致,因为一个函数的输出成为另一个函数的输入。在FP里这样的函数组合就是Monadic Reader。
但是FP里函数运算结果一般都是M[R]这样格式的,所以我们需要对f:A => M[B],g:B => M[C]这样的函数进行组合。这就是scalaz里的Kleisli了。Kleisli就是函数A=>M[B]的类封套,从Kleisli的类定义可以看出:scalaz/Kleisli.scala
- final case class Kleisli[M[_], A, B](run: A => M[B]) { self =>
- ...
- trait KleisliFunctions {
- /**Construct a Kleisli from a Function1 */
- def kleisli[M[_], A, B](f: A => M[B]): Kleisli[M, A, B] = Kleisli(f)
- ...
Kleisli的目的是把Monadic函数组合起来或者更形象说连接起来。Kleisli提供的操作方法如>=>可以这样理解:
(A=>M[B]) >=> (B=>M[C]) >=> (C=>M[D]) 最终运算结果M[D]
可以看出Kleisli函数组合有着固定的模式:
1、函数必需是 A => M[B]这种模式;只有一个输入,结果是一个Monad M[_]
2、上一个函数输出M[B],他的运算值B就是下一个函数的输入。这就要求下一个函数的输入参数类型必需是B
3、M必须是个Monad;这个可以从Kleisli的操作函数实现中看出:scalaz/Kleisli.scala
- /** alias for `andThen` */
- def >=>[C](k: Kleisli[M, B, C])(implicit b: Bind[M]): Kleisli[M, A, C] = kleisli((a: A) => b.bind(this(a))(k.run))
- def andThen[C](k: Kleisli[M, B, C])(implicit b: Bind[M]): Kleisli[M, A, C] = this >=> k
- def >==>[C](k: B => M[C])(implicit b: Bind[M]): Kleisli[M, A, C] = this >=> kleisli(k)
- def andThenK[C](k: B => M[C])(implicit b: Bind[M]): Kleisli[M, A, C] = this >==> k
- /** alias for `compose` */
- def <=<[C](k: Kleisli[M, C, A])(implicit b: Bind[M]): Kleisli[M, C, B] = k >=> this
- def compose[C](k: Kleisli[M, C, A])(implicit b: Bind[M]): Kleisli[M, C, B] = k >=> this
- def <==<[C](k: C => M[A])(implicit b: Bind[M]): Kleisli[M, C, B] = kleisli(k) >=> this
- def composeK[C](k: C => M[A])(implicit b: Bind[M]): Kleisli[M, C, B] = this <==< k
拿操作函数>=>(andThen)举例:implicit b: Bind[M]明确了M必须是个Monad。
kleisli((a: A) => b.bind(this(a))(k.run))的意思是先运算M[A],接着再运算k,以M[A]运算结果值a作为下一个函数k.run的输入参数。整个实现过程并不复杂。
实际上Reader就是Kleisli的一个特殊案例:在这里kleisli的M[]变成了Id[],因为Id[A]=A >>> A=>Id[B] = A=>B,就是我们上面提到的Reader,我们看看Reader在scalaz里是如何定义的:scalar/package.scala
- type ReaderT[F[_], E, A] = Kleisli[F, E, A]
- val ReaderT = Kleisli
- type =?>[E, A] = Kleisli[Option, E, A]
- type Reader[E, A] = ReaderT[Id, E, A]
- type Writer[W, A] = WriterT[Id, W, A]
- type Unwriter[W, A] = UnwriterT[Id, W, A]
- object Reader {
- def apply[E, A](f: E => A): Reader[E, A] = Kleisli[Id, E, A](f)
- }
- object Writer {
- def apply[W, A](w: W, a: A): WriterT[Id, W, A] = WriterT[Id, W, A]((w, a))
- }
- object Unwriter {
- def apply[U, A](u: U, a: A): UnwriterT[Id, U, A] = UnwriterT[Id, U, A]((u, a))
- }
type ReaderT[F[_], E, A] = Kleisli[F, E, A] >>> type Reader[E,A] = ReaderT[Id,E,A]
好了,说了半天还是回到如何使用Kleisli进行函数组合的吧:
- //Kleisli款式函数kf,kg
- val kf: Int => Option[String] = (i: Int) => Some((i + ).shows)
- //> kf : Int => Option[String] = <function1>
- val kg: String => Option[Boolean] = { case "" => true.some; case _ => false.some }
- //> kg : String => Option[Boolean] = <function1>
- //Kleisli函数组合操作
- import Kleisli._
- val kfg = kleisli(kf) >=> kleisli(kg) //> kfg : scalaz.Kleisli[Option,Int,Boolean] = Kleisli(<function1>)
- kfg() //> res5: Option[Boolean] = Some(false)
- kfg() //> res6: Option[Boolean] = Some(true)
例子虽然很简单,但它说明了很多重点:上一个函数输入的运算值是下一个函数的输入值 Int=>String=>Boolean。输出Monad一致统一,都是Option。
那么,Kleisli到底用来干什么呢?它恰恰显示了FP函数组合的真正意义:把功能尽量细分化,通过各种方式的函数组合实现灵活的函数重复利用。也就是在FP领域里,我们用Kleisli来组合FP函数。
下面我们就用scalaz自带的例子scalaz.example里的KleisliUsage.scala来说明一下Kleisli的具体使用方法吧:
下面是一组地理信息结构:
- // just some trivial data structure ,
- // Continents contain countries. Countries contain cities.
- case class Continent(name: String, countries: List[Country] = List.empty)
- case class Country(name: String, cities: List[City] = List.empty)
- case class City(name: String, isCapital: Boolean = false, inhabitants: Int = )
分别是:洲(Continent)、国家(Country)、城市(City)。它们之间的关系是层级的:Continent(Country(City))
下面是一组模拟数据:
- val data: List[Continent] = List(
- Continent("Europe"),
- Continent("America",
- List(
- Country("USA",
- List(
- City("Washington"), City("New York"))))),
- Continent("Asia",
- List(
- Country("India",
- List(City("New Dehli"), City("Calcutta"))))))
从上面的模拟数据也可以看出Continent,Country,City之间的隶属关系。我们下面设计三个函数分别对Continent,Country,City进行查找:
- def continents(name: String): List[Continent] =
- data.filter(k => k.name.contains(name)) //> continents: (name: String)List[Exercises.kli.Continent]
- //查找名字包含A的continent
- continents("A") //> res7: List[Exercises.kli.Continent] = List(Continent(America,List(Country(U
- //| SA,List(City(Washington,false,20), City(New York,false,20))))), Continent(A
- //| sia,List(Country(India,List(City(New Dehli,false,20), City(Calcutta,false,2
- //| 0))))))
- //找到两个:List(America,Asia)
- def countries(continent: Continent): List[Country] = continent.countries
- //> countries: (continent: Exercises.kli.Continent)List[Exercises.kli.Country]
- //查找America下的国家
- val america =
- Continent("America",
- List(
- Country("USA",
- List(
- City("Washington"), City("New York")))))
- //> america : Exercises.kli.Continent = Continent(America,List(Country(USA,Lis
- //| t(City(Washington,false,20), City(New York,false,20)))))
- countries(america) //> res8: List[Exercises.kli.Country] = List(Country(USA,List(City(Washington,f
- //| alse,20), City(New York,false,20))))
- def cities(country: Country): List[City] = country.cities
- //> cities: (country: Exercises.kli.Country)List[Exercises.kli.City]
- val usa = Country("USA",
- List(
- City("Washington"), City("New York")))
- //> usa : Exercises.kli.Country = Country(USA,List(City(Washington,false,20),
- //| City(New York,false,20)))
- cities(usa) //> res9: List[Exercises.kli.City] = List(City(Washington,false,20), City(New Y
- //| ork,false,20))
从continents,countries,cities这三个函数运算结果可以看出它们都可以独立运算。这三个函数的款式如下:
String => List[Continent]
Continent => List[Country]
Country => List[City]
无论函数款式或者类封套(List本来就是Monad)都适合Kleisli。我们可以用Kleisli把这三个局部函数用各种方法组合起来实现更广泛功能:
- val allCountry = kleisli(continents) >==> countries
- //> allCountry : scalaz.Kleisli[List,String,Exercises.kli.Country] = Kleisli(<
- //| function1>)
- val allCity = kleisli(continents) >==> countries >==> cities
- //> allCity : scalaz.Kleisli[List,String,Exercises.kli.City] = Kleisli(<functi
- //| on1>)
- allCountry("Amer") //> res10: List[Exercises.kli.Country] = List(Country(USA,List(City(Washington,
- //| false,20), City(New York,false,20))))
- allCity("Amer") //> res11: List[Exercises.kli.City] = List(City(Washington,false,20), City(New
- //| York,false,20))
还有个=<<符号挺有意思:
- def =<<(a: M[A])(implicit m: Bind[M]): M[B] = m.bind(a)(run)
意思是用包嵌的函数flatMap一下输入参数M[A]:
- allCity =<< List("Amer","Asia") //> res12: List[Exercises.kli.City] = List(City(Washington,false,20), City(New
- //| York,false,20), City(New Dehli,false,20), City(Calcutta,false,20))
那么如果我想避免使用List(),用Option[List]作为函数输出可以吗?Option是个Monad,第一步可以通过。下一步是把函数款式对齐了:
List[String] => Option[List[Continent]]
List[Continent] => Option[List[Country]]
List[Country] => Option[List[City]]
下面是这三个函数的升级版:
- //查找Continent List[String] => Option[List[Continent]]
- def maybeContinents(names: List[String]): Option[List[Continent]] =
- names.flatMap(name => data.filter(k => k.name.contains(name))) match {
- case h :: t => (h :: t).some
- case _ => none
- } //> maybeContinents: (names: List[String])Option[List[Exercises.kli.Continent]]
- //|
- //测试运行
- maybeContinents(List("Amer","Asia")) //> res13: Option[List[Exercises.kli.Continent]] = Some(List(Continent(America,
- //| List(Country(USA,List(City(Washington,false,20), City(New York,false,20))))
- //| ), Continent(Asia,List(Country(India,List(City(New Dehli,false,20), City(Ca
- //| lcutta,false,20)))))))
- //查找Country List[Continent] => Option[List[Country]]
- def maybeCountries(continents: List[Continent]): Option[List[Country]] =
- continents.flatMap(continent => continent.countries.map(c => c)) match {
- case h :: t => (h :: t).some
- case _ => none
- } //> maybeCountries: (continents: List[Exercises.kli.Continent])Option[List[Exer
- //| cises.kli.Country]]
- //查找City List[Country] => Option[List[Country]]
- def maybeCities(countries: List[Country]): Option[List[City]] =
- countries.flatMap(country => country.cities.map(c => c)) match {
- case h :: t => (h :: t).some
- case _ => none
- } //> maybeCities: (countries: List[Exercises.kli.Country])Option[List[Exercises.
- //| kli.City]]
- val maybeAllCities = kleisli(maybeContinents) >==> maybeCountries >==> maybeCities
- //> maybeAllCities : scalaz.Kleisli[Option,List[String],List[Exercises.kli.Cit
- //| y]] = Kleisli(<function1>)
- maybeAllCities(List("Amer","Asia")) //> res14: Option[List[Exercises.kli.City]] = Some(List(City(Washington,false,2
- //| 0), City(New York,false,20), City(New Dehli,false,20), City(Calcutta,false,
- //| 20)))
我们看到,只要Monad一致,函数输入输出类型匹配,就能用Kleisli来实现函数组合。
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