什么是 monad?

monad(单子) 是函数式编程中的一种抽象，本文旨在对 monad 的粗浅介绍，所以跳过其数学上的定义和结构性证明(其实是目前笔者也不太懂🤫)，通过一些具体的例子说明它的概念和作用。

定义

尽管没有太复杂的数学概念，但还是需要一个定义说明什么样的东西才能称之为 monad。在接下来的说明中，除了列举出数学定义以外，还有其在 go 语言中的具体表现形式。在 wiki 的定义中:

Monad (functional programming) - Wikipedia

一个 monad 包含三个部分:

  1. 类型构造子 M 。

    • 在 go 中可以理解为一种名为 M 包裹着 T 的泛型结构体 M<T>{ val: T }

  2. 类型转换子 Unit :: T -> M T。

    • 在 go 中可以理解为由值 T 构造 M 的函数 func Unit[T any] (val T) -> M<T>

  3. 组合子 >>= or FlatMap :: M T -> ( T -> M U) -> M U 。

    • 在 go 中可以理解为 M<T>{ val: T } 这个结构体具有一个成员方法 func flatMap[T, U any] (func(T) -> M<U>) -> M<U> ，能够接受一个函数参数实现从 M<T> 到 M<U> 的变换。

那么我们可以称这个具有 FlatMap 方法的 M 为一个 Monad (请注意不是 M<\T> )。

更严格的定义

一个 monad 还必须含有以下三个约束:

  1. 转换子 Unit 是组合子 >>= 的左单位元: Unit >>= f <-> f 。

    • 在 go 中可以理解为：如果有一个函数为 F[ T, U any] (T) M U, 那么 Unit(x).FlatMap(f) 的执行结果和执行 f(x) 结果相同

  2. 转换子 Unit 是组合子 >>= 的右单位元: f >>= Unit <-> f

    • 在 go 中可以理解为：如果有一个函数为 F[ T, U any] (T) M U, F(x).FlatMap(Unit) 的执行结果等于 F(x)

  3. 组合子 >>= 满足结合律: ma >>= λx -> (f(x) >>= λy -> g(y)) <-> (ma >>= λx -> f(x)) >>= λy -> g(y)

    • 在 go 中可以理解为以下两个过程执行结果相等
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func F[T, U any](x T) M<U>  { f(x) } // f(x) 是对 x 的一些行为
func G[U, P any](y U) M<P> { g(y) } // g(y) 是对 y 的一些行为

func H[T, P any](x T) M<P> { F(x).FlatMap(G) } // g(f(x))

res1 := M{val: x}.FlatMap(H)
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func F[T, U any](x T) M<U>  { f(x) } // f(x) 是对 x 的一些行为
func G[U, P any](y U) M<P> { g(y) } // g(y) 是对 y 的一些行为

res2 := M{ val: x }.FlatMap(F).FlatMap(G)

monad 有什么用?

在列举完 monad 的定义后，为了避免陷在抽象的世界里无法自拔，笔者在接下来会具体列举一些例子说明 monad 的作用 。以笔者的观点来说，monad 的作用就是提供了一种隐藏副作用的形式，使得在编写处理函数的时候只用考虑预期的输入，将副作用延续到最后处理。

另一个宇宙的 go error monad

引言

在 go 编程中，可能常见如下代码:

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// 获取要查询的ID
func GetID (int64) (int64,error) {}
// 获取 ID 对应的信息
func GetInfo (id int64) (Info,error) {}
// 获取上一个 Info 中 uid 对应的信息
func GetUserInfo (Info) (UserInfo,error) {}

func handle() error {
	rawID := 0
	id, err := GetID(rawID)
	if err != nil {
		return err
	}
	info, err := GetInfo(id)
	if err != nil {
		return err
 	}
	userInfo, err := GetUserInfo(info)
	if err != nil {
		return err
	}
	// use userInfo ...
}

可以看到 go 的灵魂出现了🤗

当然笔者并不反对 go 这种严格处理每个函数返回的错误值的思想，不过本文既然是有关 monad 的介绍，自然是想着怎么将 monad 套用到 go 的错误处理中。

go 版 monad 式错误处理

回顾 monad 的定义:

  • 首先 monad 是一个结构体:
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type ErrMonad[T any] struct {
	Result T
	Err  error
}

上面的结构体包含了返回值和错误。

  • 然后需要一个由 T 构造成 M T 的函数:
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func Unit[T any] (result T) ErrMonad[T] {
	return ErrMonad[T]{
		Result: result,
	}
}

  • 有组合子 FlatMap 成员方法:
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func (h ErrMonad[T]) FlatMap[U] (mapFunc func(T) ErrMonad[U] ) ErrMonad[U] {
	if h.err != nil{
		return h
	}
	return mapFunc(h.result)
}

有了上述实现后，之前的流程就可以改写为:

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// 获取要查询的ID
func GetID (int64) ErrMonad[int64] {}
// 获取 ID 对应的信息
func GetInfo (id int64) ErrMonad[Info] {}
// 获取上一个 Info 中 uid 对应的信息
func GetUserInfo (Info) ErrMonad[UserInfo] {}

func handle() error {
	rawID := Unit(int64(0))
	res := rawID.
			FlatMap(GetID).
			FlatMap(GetInfo).
			FlatMap(GetUserInfo)
	if res.Err != nil{
		return res.Err
	}
	userInfo = res.Result
	// use userInfo ...
}

可以看出相较于之前的版本，代码更简洁了一些 (至少少了 if err != nil { return err })。

然而理想是美好的，看着 monad 实现这么简单，为啥群友总说 go 不支持 monad 呢。回看本节标题 “另一个宇宙的 go error monad”，非常遗憾的是，目前的 go 不支持泛型方法参数 Type Parameters Proposal，为啥 go 不支持泛型方法。具体来说就是不支持入参是一个带泛型的方法，即以下函数都是无法实现的:

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func goIsBest( func[T any] () ) bool { return false }

type GGGGGG[T any] struct{}
func (GGGGGG[T]) gggggggggggg( func[U any] () ) {}
func (GGGGGG[T]) gggggggggggg[U any] () {}

摆个 issue 做参考(希望未来会有解决方法吧):

proposal: spec: allow type parameters in methods · Issue #49085 · golang/go · GitHub

这就导致了 FlatMap 方法是不可行的。至此，go 的 monad 之旅到此结束。

附一篇经典的错误处理方法 blog ( 感觉就像一种青春版的 monad，在所举的例子中存在类型只有 io.Writer，所以只用在单个类型里打转，省略了由 T 类型到 U 类型的转换，所以这种形式可以在 go 中实现:

Errors are values - Thttps://go.dev/blog/errors-are-valueshe Go Programming Language

if err != nil 太烦？Go 创始人教你如何对错误进行编程！ - 知乎 (评论区)

monad 如何解决回调地狱

现在让我们来看看一点老(不新又不老)的东西。

引言

各位即使没写过 javascript，也可能听说过回调地狱这个概念，具体来讲这是一种 javascript 异步编程中出现的一种现象。拿Callback Hell中的例子举例吧:

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fs.readdir(source, function (err, files) {
  if (err) {
    console.log('Error finding files: ' + err)
  } else {
    files.forEach(function (filename, fileIndex) {
      console.log(filename)
      gm(source + filename).size(function (err, values) {
        if (err) {
          console.log('Error identifying file size: ' + err)
        } else {
          console.log(filename + ' : ' + values)
          aspect = (values.width / values.height)
          widths.forEach(function (width, widthIndex) {
            height = Math.round(width / aspect)
            console.log('resizing ' + filename + 'to ' + height + 'x' + height)
            this.resize(width, height).write(dest + 'w' + width + '_' + filename, function(err) {
              if (err) console.log('Error writing file: ' + err)
            })
          }.bind(this))
        }
      })
    })
  }
})

上面的代码具体作用就是异步执行如下操作: 通过传入的 srouce 读取指定目录下的文件列表，然后使用 gm 函数进行图像处理，保存处理后的图像到目标目录。

可以看到代码的嵌套层级非常深，这就是早期 javascript 异步编程的问题。对于异步函数，需要传入一个回调函数表明在当前状态结束后 (如读取文件结束后) 应该继续执行的动作。可以想象一旦异步处理过程多了，如果没有合适的方法，必然会导致深层次的函数嵌套。一般的做法就是将嵌套的函数抽出来，将异步调用拆解到每个函数中：

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main() {
	a(value, b(value, c (value)))
}

// -------------------------------------------------

main() {
	a(value, B)
}

B(value) {
	// do something
	b(value, c)
}

c(value) {
	// do something
}

但上述做法带来的一个小问题是如果需要了解整个运行的流程，需要不断跳转函数才能知道整个运行逻辑，而不能直接在一个 main 函数中知晓。

异步和 monad

上述问题的根本原因在于异步过

promise 介绍

在 2015 年后，promise 的出现缓解了 javascript 在异步编程中的问题，首先介绍一下什么是 promise:

  • promise 是 javascript 中的一个对象，通过 Promise.resolve 方法可以构造出一个 promise 对象。
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let x = Promise.resolve(123)
console.log(x) // Promise { 123 }

  • promise 内部有三种状态 pending 、fulfilled 和 rejected 。他们的作用在这里不深究，只要粗略地了解： fulfilled 可以认为是方法执行成功的状态，rejected 可以认为是方法返回 error 的状态。

  • promise 有三个成员方法 then ，catch 和 finally。这里只介绍 then 和 catch 方法。

then 方法接受两个类型为函数的参数，一个是当状态为 fulfilled 的时候调用，另一个为 rejected 的时候调用。一般来说，笔者喜欢只传前一个参数，第二个参数使用缺省值，即只有在状态为成功的时候才执行传入的函数。具体代码例子如下:

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let x = Promise.resolve("now")
x.then((x) => {
    console.log("pre: ", x, "running 1")
    return Promise.resolve("run1")
})

和 then 类似，catch 方法接受一个类型为函数的参数，当状态为 rejected 会调用，具体代码例子如下:

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let x = Promise.reject("now")
x.catch((reason) => {
    console.log("break at " + reason)
})

promise 和 monad

在了解了 promise 的概念后，可以看出 promise 非常像一个 monad。下面来点证明：

  • 类型构造子：Promise < T >

  • 类型转换子：Promise.resolve

  • 组合子：Promise< T >.then( (value: T) => U )

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let x = Promise.resolve("now")
console.log(x)
x.then((x) => {
    console.log("pre: ", x, "run1")
    return Promise.resolve("run1")
}).then((x) => {
    console.log("pre: ", x, "run2")
    return Promise.reject("run2")
}).then((x) => {
    console.log("pre: ", x, "run3")
    return Promise.resolve("run3")
}).catch((reason) => {
    console.log("break at " + reason)
})
/*
Promise { 'now' }
pre:  now run1
pre:  run1 run2
break at run2
*/

总结

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