在前几期讨论中我们终于推导出了Free Monad。这是一个Monad工厂,它可以把任何F[A]变成Monad。可惜的是它对F[A]是有所要求的:F必须是个Functor。Free Monad由此被称为由Functor F 产生的Monad。F必须是Functor,这个门槛使我们在使用Free Monad时很不方便。举个前面讨论过的例子:

  1. trait Console[A]
  2. case object GetLine extends Console[String]
  3. case class PutLine(line: String) extends Console[Unit]

我们想用Free Monad把Console[A]变成Monad: Free[Console,A],但我们必须先得到Console的Functor实例:

  1. implicit val consoleFunctor = new Functor[Console] {
  2. def map[A,B](ca: Console[A])(f: A => B): Console[B] = ca match {
  3. case GetLine => ?????
  4. case PutLine(l) => ????
  5. }
  6. }

讲老实话,我到现在还没能想出如何实现这个map函数。除非把Console类型修改一下,这个可以参考前面讨论中的代码。

现在的问题是如果能有个什么方法把F[A]变成Functor,就像Free Monad那样有个Free Functor就好了。范畴学中Yoneda lemma结论中的Coyoneda就是一个Free Functor。

Yoneda lemma是这样推论的:如果我们有个这样的函数定义:def map[B](f: A => B): F[B],那我们就肯定能得出F[A]值,因为我们只需要把一个恒等函数当作f就能得到F[A]。反过来推论:如果我们有个F[A],F是任何Functor,A是任何类型,我们同样可以得出以上的map函数。我们可以用个类型来表示:

  1. trait Yoneda[F[_],A] {
  2. def map[B](f: A => B): F[B]
  3. }

当然,这也意味着如果:有个类型B,一个函数(B => A),A是任意类型,一个F[B],F是任意Functor,我们肯定能得出F[A]:因为我们只要把(B => A)和F[B]传入map:

map(fb: F[B])(f: B => A): F[A]。

我们同样可以用一个类型来表示:

  1. trait Coyoneda[F[_],A] { coyo =>
  2. type I
  3. def fi: F[I]
  4. def k(i: I): A
  5. }

在下面我们可以证明F[A]同等Coyoneda[F,A],而Coyoneda是个Functor。我们只需将F[A]升格(lift)到Coyoneda就能得到一个Free Functor了。

  1. trait Functor[F[_]] {
  2. def map[A,B](fa: F[A])(f: A => B): F[B]
  3. }
  4. object Functor {
  5. def apply[F[_]: Functor]: Functor[F] = implicitly[Functor[F]]
  6. }
  7. trait Monad[M[_]] {
  8. def unit[A](a: A): M[A]
  9. def flatMap[A,B](ma: M[A])(f: A => M[B]): M[B]
  10. def map[A,B](ma: M[A])(f: A => B) = flatMap(ma)(a => unit(f(a)))
  11. }
  12. object Monad {
  13. def apply[M[_]: Monad]: Monad[M] = implicitly[Monad[M]]
  14. }
  15. trait Yoneda[F[_],A] { yo =>
  16. def apply[B](f: A => B): F[B]
  17. def run: F[A] = apply(a => a) //无需Functor实例就可以将Yoneda转变成F[A]
  18. def toCoyoneda: Coyoneda[F,A] = new Coyoneda[F,A] { //转Coyoneda无需Functor
  19. type I = A
  20. def fi = yo.run
  21. def k(i: A) = i
  22. }
  23. def map[B](f: A => B): Yoneda[F,B] = new Yoneda[F,B] { //纯粹的函数组合 map fusion
  24. def apply[C](g: B => C): F[C] = yo( f andThen g)
  25. }
  26. }
  27. trait Coyoneda[F[_],A] { coyo =>
  28. type I
  29. def fi: F[I]
  30. def k(i: I): A
  31. def run(implicit F: Functor[F]): F[A] = //Coyoneda转F需要F Functor实例
  32. F.map(fi)(k)
  33. def toYoneda(implicit F: Functor[F]): Yoneda[F,A] = new Yoneda[F,A] { //转Yoneda需要Functor
  34. def apply[B](f: A => B): F[B] = F.map(fi)(k _ andThen f)
  35. }
  36. def map[B](f: A => B): Coyoneda[F,B] = new Coyoneda[F,B] {
  37. type I = coyo.I
  38. def fi = coyo.fi
  39. def k(i: I) = f(coyo k i)
  40. }
  41. }
  42. object Yoneda {
  43. def apply[F[_]: Functor,A](fa: F[A]) = new Yoneda[F,A] { //F转Yoneda需要Functor
  44. def apply[B](f: A => B): F[B] = Functor[F].map(fa)(f)
  45. }
  46. implicit def yonedaFunctor[F[_]] = new Functor[({type l[x] = Yoneda[F,x]})#l] {
  47. def map[A,B](ya: Yoneda[F,A])(f: A => B) = ya map f
  48.  
  49. }
  50. }
  51. object Coyoneda {
  52. def apply[F[_],A](fa: F[A]): Coyoneda[F,A] = new Coyoneda[F,A] {
  53. type I = A //把F[A]升格成Coyoneda, F无须为Functor
  54. def fi = fa
  55. def k(a: A) = a
  56. }
  57. implicit def coyonedaFunctor[F[_]] = new Functor[({type l[x] = Coyoneda[F,x]})#l] {
  58. def map[A,B](ca: Coyoneda[F,A])(f: A => B) = ca map f //Coyoneda本身就是Functor
  59. }
  60. }

以上值得注意的是:F[A]可以直接升格等于Coyoneda,而Coyoneda是个Functor。换句话说我们把F[A]升格到Coyoneda就可以当Functor来用了。

我们的目的是把任何F[A]变成Free Monad,那么我们就需要有一个用Coyoneda产生的Free:

  1. trait Free[F[_],A] {
  2. private case class FlatMap[B](a: Free[F,A], f: A => Free[F,B]) extends Free[F,B]
  3. def unit(a: A): Free[F,A] = Return(a)
  4. def flatMap[B](f: A => Free[F,B])(implicit F: Functor[F]): Free[F,B] = this match {
  5. case Return(a) => f(a)
  6. case Suspend(k) => Suspend(F.map(k)(a => a flatMap f))
  7. case FlatMap(b,g) => FlatMap(b, g andThen (_ flatMap f))
  8. }
  9.  
  10. def map[B](f: A => B)(implicit F: Functor[F]): Free[F,B] = flatMap(a => Return(f(a)))
  11. def resume(implicit F: Functor[F]): Either[F[Free[F,A]],A] = this match {
  12. case Return(a) => Right(a)
  13. case Suspend(k) => Left(k)
  14. case FlatMap(a,f) => a match {
  15. case Return(b) => f(b).resume
  16. case Suspend(k) => Left(F.map(k)(_ flatMap f))
  17. case FlatMap(b,g) => FlatMap(b, g andThen (_ flatMap f)).resume
  18. }
  19. }
  20. def foldMap[G[_]](f: (F ~> G))(implicit F: Functor[F], G: Monad[G]): G[A] = resume match {
  21. case Right(a) => G.unit(a)
  22. case Left(k) => G.flatMap(f(k))(_ foldMap f)
  23. }
  24. }
  25. case class Return[F[_],A](a: A) extends Free[F,A]
  26. case class Suspend[F[_],A](ffa: F[Free[F,A]]) extends Free[F,A]
  27. object Free {
  28. import scalaz.Unapply
  29. /** A free monad over the free functor generated by `S` */
  30. type FreeC[S[_], A] = Free[({type f[x] = Coyoneda[S, x]})#f, A]
  31.  
  32. /** Suspends a value within a functor in a single step. Monadic unit for a higher-order monad. */
  33. def liftF[S[_], A](value: => S[A])(implicit S: Functor[S]): Free[S, A] =
  34. Suspend(S.map(value)(Return[S, A]))
  35.  
  36. /** A version of `liftF` that infers the nested type constructor. */
  37. def liftFU[MA](value: => MA)(implicit MA: Unapply[Functor, MA]): Free[MA.M, MA.A] =
  38. liftF(MA(value))(MA.TC)
  39.  
  40. /** A free monad over a free functor of `S`. */
  41. def liftFC[S[_], A](s: S[A]): FreeC[S, A] =
  42. liftFU(Coyoneda(s))
  43.  
  44. /** Interpret a free monad over a free functor of `S` via natural transformation to monad `M`. */
  45. def runFC[S[_], M[_], A](sa: FreeC[S, A])(interp: S ~> M)(implicit M: Monad[M]): M[A] =
  46. sa.foldMap[M](new (({type λ[α] = Coyoneda[S, α]})#λ ~> M) {
  47. def apply[A](cy: Coyoneda[S, A]): M[A] =
  48. M.map(interp(cy.fi))(cy.k)
  49. })
  50. }

我们把前面推导出来的Free搬过来。然后在Free companion object里增加了FreeC类型:

type FreeC[S[_],A] = Free[({type f[x] = Coyoneda[F,x]})#f, A]

这个可以说是一个由Coyoneda产生的Free。

现在我们要想办法把S[A]升格成FreeC:liftFC[S[_],A](s: S[A]): FreeC[S,A],这里需要先把S[A]升格成Coyoneda:Coyoneda(s)。

由于Coyoneda[S,A]是个多层嵌入类型。我们在liftFU函数中需要借用scalaz的Unapply类型来分解出Coyoneda, S[A]然后施用在liftF;

def liftF[S[_],A](sa: S[A])(implicit S: Functor[S]),这里的S就是Coyoneda。

Interpreter沿用了foldMap但是调整了转换源目标类型 Functor >>> Coyoneda。其它如Trampoline机制维持不变。

现在我们可以直接用任何F[A]来产生Free了。先试试上面的那个Console。这个Console不是个Functor:

  1. trait Console[A]
  2. case object GetLine extends Console[String]
  3. case class PutLine(line: String) extends Console[Unit]
  4. import Free._
  5. implicit def liftConsole[A](ca: Console[A]): FreeC[Console,A] = liftFC(ca)
  6. //> liftConsole: [A](ca: ch13.ex11.Console[A])ch13.ex11.Free.FreeC[ch13.ex11.Co
  7. //| nsole,A]
  8. for {
  9. _ <- PutLine("What is your first name ?")
  10. first <- GetLine
  11. _ <- PutLine("What is your last name ?")
  12. last <- GetLine
  13. _ <- PutLine(s"Hello, $first $last !")
  14. } yield () //> res0: ch13.ex11.Free[[x]ch13.ex11.Coyoneda[ch13.ex11.Console,x],Unit] = Sus
  15. //| pend(ch13.ex11$Coyoneda$$anon$4@50f8360d)

可以使用Free的Monadic语言了。下面再试试Interpreter部分:

  1. val ioprg = for {
  2. _ <- PutLine("What is your first name ?")
  3. first <- GetLine
  4. _ <- PutLine("What is your last name ?")
  5. last <- GetLine
  6. _ <- PutLine(s"Hello, $first $last !")
  7. } yield () //> ioprg : ch13.ex11.Free[[x]ch13.ex11.Coyoneda[ch13.ex11.Console,x],Unit] =
  8. //| Suspend(ch13.ex11$Coyoneda$$anon$4@13c78c0b)
  9.  
  10. type Id[A] = A
  11. implicit val idMonad = new Monad[Id] {
  12. def unit[A](a: A) = a
  13. def flatMap[A,B](fa: A)(f: A => B): B = f(fa)
  14. } //> idMonad : ch13.ex11.Monad[ch13.ex11.Id] = ch13.ex11$$anonfun$main$1$$anon$
  15. //| 10@12843fce
  16.  
  17. object RealConsole extends (Console ~> Id) {
  18. def apply[A](ca: Console[A]): A = ca match {
  19. case GetLine => readLine
  20. case PutLine(l) => println(l)
  21. }
  22. }
  23. Free.runFC(ioprg)(RealConsole) //> What is your first name ?/
也很顺利呢。再试试加了State维护的IO程序:
  1. case class State[S,A](runState: S => (A,S)) {
  2. def map[B](f: A => B) = State[S,B](s => {
  3. val (a1,s1) = runState(s)
  4. (f(a1),s1)
  5. })
  6. def flatMap[B](f: A => State[S,B]) = State[S,B](s => {
  7. val (a1,s1) = runState(s)
  8. f(a1).runState(s1)
  9. })
  10. }
  11. case class InOutLog(inLog: List[String], outLog: List[String])
  12. type LogState[A] = State[InOutLog, A]
  13. implicit val logStateMonad = new Monad[LogState] {
  14. def unit[A](a: A) = State(s => (a, s))
  15. def flatMap[A,B](sa: LogState[A])(f: A => LogState[B]) = sa flatMap f
  16. } //> logStateMonad : ch13.ex11.Monad[ch13.ex11.LogState] = ch13.ex11$$anonfun$m
  17. //| ain$1$$anon$11@3dd3bcd
  18. object MockConsole extends(Console ~> LogState) {
  19. def apply[A](c: Console[A]): LogState[A] = State(
  20. s => (c,s) match {
  21. case (GetLine, InOutLog(in,out)) => (in.head, InOutLog(in.tail, out))
  22. case (PutLine(l), InOutLog(in,out)) => ((),InOutLog(in, l :: out))
  23. })
  24. }
  25. val s = Free.runFC(ioprg)(MockConsole) //> s : ch13.ex11.LogState[Unit] = State(<function1>)
  26. val ls = s.runState(InOutLog(List("Tiger","Chan"),List()))
  27. //> ls : (Unit, ch13.ex11.InOutLog) = ((),InOutLog(List(),List(Hello, Tiger Ch
  28. //| an !, What is your last name ?, What is your first name ?)))
也能正确地维护状态。
现在我们可以把任何F[A]类型变成Free Monad并用它实现Monadic programming及副作用解译运算!
 
 
 

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