Haskell/延續過渡風格（CPS）
延續過渡風格 （簡稱CPS） 是一種函數不直接返回值的代碼風格；在這種風格中，函數將結果傳入一個 延續 （continuation，指「之後的內容」），後者決定了之後的邏輯。本章將探討CPS能夠如何應用在Haskell中，以及如何使用Monad表達CPS。
延續是什麼？
[編輯]回憶一下之前我們介紹 ($) 函數的時候：
> map ($ 2) [(2*), (4*), (8*)] [4,8,16]
這段代碼並沒有什麼值得注意之處，雖然顯得有些古怪，因為我們並沒有使用通常的寫法 map (*2) [2, 4, 8]。 ($) 函數使得代碼看起來倒置了，好像我們實際上是在把參數傳給函數，而不是將函數作用於參數上一樣。而這種看起來意義不明的倒置卻恰恰是CPS的核心！
從CPS的角度看來，($ 2) 是一個暫停中的計算: 也就是有著 (a -> r) -> r 類型的一個函數，後者接受另一個函數作為參數以產生最終結果。而這個具有 a -> r 類型的參數就是所謂的延續 (continuation)；它指定了從當前函數到最終結果之間的邏輯。在上例中，列表中的函數被 map 作為延續，最終產生了三個不同的結果。值得注意的是，暫停中的計算和普通的值是可以相互轉化的。函數 flip ($) 將一個值轉化為暫停的計算 [1]，而將 id 作為延續傳入暫停的計算即可得回原值。
這有什麼用呢？
[編輯]CPS除了可以向新人炫技之外，還有更大的用途。它使得顯式的操作和改變程序的控制流成為可能。比如說，像命令式語言一樣，在一個函數全部執行完成之前返回一個值並跳出。異常和錯誤也能用CPS處理: 傳入兩個分別用於處理成功和失敗狀態的回調函數，並根據情況調用其中之一。我們還可以"暫停"一個計算，並在合適的時候使它繼續；或者我們可以實現簡單的並行計算（事實上，Hugs，一個Haskell解釋器，使用CPS來實現並行）。
在Haskell中，我們可以以類似的方式使用CPS來在Monad中實現一些控制流。通常，我們也可以用別的方法來實現這些控制結構，特別是當我們應用了惰性計算的時候。在一些場景中（例如，當一個結構複雜的返回值最終將被不被調用者使用時），通過消除一些對類型構造函數的模式匹配，CPS能夠在一定程度上改善代碼的性能；但是，這種工作或許能夠由一個足夠智能的編譯器代勞。[2]。
傳遞（過渡）延續
[編輯]我們可以修改我們的函數，使他們返回一個延續而不是一個普通的值。如下兩例。
pythagoras
[編輯]
例子: 一些普通而簡單的函數
-- 定义加法和平方函数:
add :: Int -> Int -> Int
add x y = x + y
square :: Int -> Int
square x = x * x
pythagoras :: Int -> Int -> Int
pythagoras x y = add (square x) (square y)
變幻成CPS後，pythagoras返回一個暫停中的計算:
例子: 一些簡單的CPS函數
-- 定义使用了CPS的加法和平方函数,
-- （add_cps 和 square_cps 实际上并不是严格的CPS函数
-- 他们只是类型正确罢了）
add_cps :: Int -> Int -> ((Int -> r) -> r)
add_cps x y = \k -> k (add x y)
square_cps :: Int -> ((Int -> r) -> r)
square_cps x = \k -> k (square x)
pythagoras_cps :: Int -> Int -> ((Int -> r) -> r)
pythagoras_cps x y = \k ->
square_cps x $ \x_squared ->
square_cps y $ \y_squared ->
add_cps x_squared y_squared $ k
我們來看看 pythagoras_cps 是如何運作的:
- 將
x平方並將結果傳入延續(\x_squared -> ...)中 - 將
y平方並將結果傳入延續(\y_squared -> ...)中 - 將
x_squared和y_squared平方並將結果傳入頂層的延續中
我們可以在GHCi中實驗這段代碼，使用print函數作為延續:
*Main> pythagoras_cps 3 4 print 25
如果我們忽略 pythagoras_cps 類型中 (Int -> r) -> r 周圍的括號，並將其與 pythagoras 的類型對比，我們可以發現，延續實際上只是一個被柯里化的額外參數，這也是為什麼說我們往函數裡傳遞（過渡）了一個延續。
thrice
[編輯]例子: 一個簡單的不使用CPS的高階函數
thrice :: (a -> a) -> a -> a
thrice f x = f (f (f x))
*Main> thrice tail "foobar" "bar"
一個像thrice這樣的高階函數的CPS形式，與它的原本形式不同，接受的參數也是CPS形式的函數。因此，f :: a -> a 將變幻成 f_cps :: a -> ((a -> r) -> r)；在這個例子中，則是 thrice_cps :: (a -> ((a -> r) -> r)) -> a -> ((a -> r) -> r)。我們可以用函數的類型作為實現的指引 - 我們將f 換成相對應的CPS形式的函數，並將這些延續一路傳遞下去。
例子: 一個簡單的使用CPS的高階函數
thrice_cps :: (a -> ((a -> r) -> r)) -> a -> ((a -> r) -> r)
thrice_cps f_cps x = \k ->
f_cps x $ \fx ->
f_cps fx $ \ffx ->
f_cps ffx $ k
Cont monad
[編輯]我們需要一種複合CPS函數的方法，最好能夠避免像剛剛那樣使用多層嵌套的lambda表達式。我們可以從一個將一個CPS函數應用到一個暫停的計算(即CPS版本的值)上的類似於 ($) 的函數開始。我們試試看能不能寫出他的類型:
chainCPS :: ((a -> r) -> r) -> (a -> ((b -> r) -> r)) -> ((b -> r) -> r)
（請讀者試一試自己實現這個函數。提示: 這個函數返回一個接受 b -> r 類型的延續的函數；然後，試著構造出一個有著合適類型的實現。）
實現:
chainCPS s f = \k -> s $ \x -> f x $ k
我們提供給暫停的計算 s 一個延續，後者用 f 返回一個新的暫停的計算；這個暫停的計算隨即將頂層的延續 k 傳遞進去。意料之中的是，這個實現和上一個例子中的多層嵌套lambda表達式看起來很像。
chainCPS 的類型是不是很眼熟？如果我們將 (a -> r) -> r 代換成 (Monad m) => m a，將 (b -> r) -> r 代換成 (Monad m) => m b，我們就得到了 (>>=) 的類型簽名。我們再熟悉不過的 flip ($) 在這裡其到了類似於 return 的作用: 它接受一個值並返回一個相對應的暫停的計算。嘿，我們定義了一個Monad！[3] 我們現在只需要把暫停的計算包裹進一個類似 Cont r a 的代理類型就好了。
cont :: ((a -> r) -> r) -> Cont r a
runCont :: Cont r a -> (a -> r) -> r
Cont 的 instance Monad 實現和我們剛剛所講的基本一致，雖然在包裹函數上有細微差別:
instance Monad (Cont r) where
return x = cont ($ x)
s >>= f = cont $ \c -> runCont s $ \x -> runCont (f x) c
這使得我們不必顯式傳遞延續，也就不用手寫嵌套的lambda表達式了。{{{1}}} 將一個暫停的計算傳入一個CPS函數中。最後，我們用 runCont 來提取出最終結果。如下例:
例子: 使用了 Cont Monad 的 pythagoras
-- 使用在transformers库中定义的Cont Monad
import Control.Monad.Trans.Cont
add_cont :: Int -> Int -> Cont r Int
add_cont x y = return (add x y)
square_cont :: Int -> Cont r Int
square_cont x = return (square x)
pythagoras_cont :: Int -> Int -> Cont r Int
pythagoras_cont x y = do
x_squared <- square_cont x
y_squared <- square_cont y
add_cont x_squared y_squared
callCC
[編輯]雖然我們自然地構造出了一個Monad，但是你也許會疑惑，因為我們之前曾提到過CPS可以實現程序的控制流。在將程序轉換成CPS形式後，我們將延續包裹在了Monad中，這使我們失去了實現控制流的靈活性。於是我們引入了 callCC 函數，它能在，且僅在我們需要時賦予我們對延續的直接控制。
callCC 是一個非常特殊的函數，我們將通過例子來逐漸引入:
例子: 使用了 callCC 的 square
-- 不使用 callCC
square :: Int -> Cont r Int
square n = return (n ^ 2)
-- 使用 callCC
squareCCC :: Int -> Cont r Int
squareCCC n = callCC $ \k -> k (n ^ 2)
我們傳遞給 callCC 一個函數作為參數，後者返回一個暫停的計算 (即返回值的類型為 Cont r a)，我們將這個返回值稱為"callCC 計算"。原則上，callCC 計算就是整個 callCC 的返回值。最關鍵的地方，也即 callCC 的獨特之處，在於 k，傳入 callCC 的函數的所接收的參數。這是一個能使整個計算跳出的 彈射按鈕: 任何地方對它的調用 k x 將把 x 封裝成一個暫停的計算，然後隨著控制流返回到 callCC 被調用的地方。這是一個無條件跳轉；特別的，在 k 被調用之處往後的計算將被捨棄。從另一種角度看，k 獲得了 callCC 之後 剩餘的計算；對它的調用將把一個值傳入這剩餘的計算當中（"callCC" 是 "call with current continuation" 的縮寫，即 "調用並傳入當前的延續"）。雖然在上例中，k 所起的作用和 return 並無二致，callCC 向我們展示了一些全新的可能性。
決定什麼時候使用 k
[編輯]callCC 使我們獲得了決定何時將何值傳入延續的能力。下例將展示它的運用。
例子: 我們的第一個完全使用了 callCC 能力的函數
foo :: Int -> Cont r String
foo x = callCC $ \k -> do
let y = x ^ 2 + 3
when (y > 20) $ k "大于20"
return (show $ y - 4)
foo 是一個稍稍自找麻煩的計算輸入參數的平方加三的函數；如果結果大於 20，那麼我們的 callCC 函數（在本例中，即整個 foo 函數）將立即返回，並將 "大于二十" 裝入一個暫停的計算中，後者隨即被傳遞給 foo。如果不是，我們將結果減去4，用 show 轉換成一個字符串，然後和上一種情況一樣封裝入一個暫停的計算中。值得注意的是，k 在這裡起的作用就像命令式語言中的 'return' 語句 一般，即立即退出並返回一個函數。但在Haskell中，k 只是一個語言的一等公民 —— 函數 —— 罷了。 因此你可以做一些將它傳遞給 when，將它保存在 Reader 中，諸如此類的事。
自然，你可以在 do 代碼塊中使用 callCC:
例子: 更成熟的使用了do 代碼塊的 callCC 例子
bar :: Char -> String -> Cont r Int
bar c s = do
msg <- callCC $ \k -> do
let s0 = c : s
when (s0 == "你好") $ k "他们说你好呀"
let s1 = show s0
return ("他们似乎在说: " ++ s1)
return (length msg)
當你用一個值調用 k 時，整個對 callCC 的調用都得到了這個值。從最終效果上看，這使得 k 看起來與其他語言中的 'goto' 語句類似: 在我們的例子中，當我們調用 k 時，它將計算跳轉到 callCC 被調用的地方，也就是 msg <- callCC $ ... 這一行。對傳遞給 callCC 的 do 代碼塊的執行到此為止。下例中，有一個不會被執行的語句:
例子: 跳出一個函數，其中一行將不被執行
quux :: Cont r Int
quux = callCC $ \k -> do
let n = 5
k n
return 25
quux 將返回 5，而不是 25，因為我們在到達 return 25 這一行之前就跳出了 quux。
幕後
[編輯]我們故意沒有使用以往的風格: 通常當我們引入一個函數時，我們會先給出它的類型；但在這個函數上我們決定換一條路。原因很簡單: 它的類型相當複雜，而且我們並不能從中一眼看出它的功能，或者它的實現。然而，在剛剛對 callCC 的使用方式進行了演示後，我們認為你已經準備好了。放輕鬆...
callCC :: ((a -> Cont r b) -> Cont r a) -> Cont r a
有了關於 callCC 的一些認識，我們可以試著解讀這個類型簽名。整個函數的返回值和作參數的函數的返回值類型必須相同（即 Cont r a），因為如果我們不調用 k 那麼作為參數的函數的返回值將直接被傳入 callCC。那麼，k 的類型是什麼呢？如同我們之前所說的那樣，k 將它的參數裝入一個暫停的計算中，然後控制流返回到 callCC 被調用之處；因此，若後者的類型的為 Cont r a ，k 的參數必須具有 a 的類型。有趣的是，只要它具有 Cont r b 的形式，k 返回值的類型（也就是 b 的類型）並無關緊要。這是因為以 a 為參數產生的暫停的計算將接受 callCC 之後的延續，而不是 k 的調用之後的。
| 註解
由於 quux :: Cont r Int
quux = callCC $ \k -> do
let n = 5
when True $ k n
k 25
|
在這個部分的最後，我們來看看 callCC 的實現。你能從中找到 k 嗎？
callCC f = cont $ \h -> runCont (f (\a -> cont $ \_ -> h a)) h
這段代碼也許有些難以理解。出乎意料的，Cont 的 callCC，return 和 (>>=) 的實現都能從他們的類型中自動推導。Lennart Augustsson 的 Djinn [1] 就是這樣的一個自動推導程序。同樣參見 Phil Gossett 的 Google tech talk: [2] 以了解 Djinn 的理論背景；另外，參見 Dan Piponi 的文章: [3]，其中講述了如何用 Djinn 推導CPS。
例子: 一個複雜的控制結構
[編輯]我們來看一些更為複雜的控制流操作的樣例。第一個節選自 "The Continuation monad" All about monads tutorial，已獲得授權。
例子: 在複雜的控制結構中使用Cont Monad
{- 我们用Cont Monad来"跳出"代码块。
以下函数实现了一个复杂的控制结构以处理数字:
输入 （n） 输出 列表里的内容
========= ====== ==========
0-9 n 无
10-199 (n/2) 的数位数 (n/2) 的数位数
200-19999 n (n/2) 的数位数
20000-1999999 (n/2) 倒过来 无
>= 2000000 (n/2) 的数位之和 (n/2) 的数位数
-}
fun :: Int -> String
fun n = (`runCont` id) $ do
str <- callCC $ \exit1 -> do -- 定义 "exit1"
when (n < 10) (exit1 (show n))
let ns = map digitToInt (show (n `div` 2))
n' <- callCC $ \exit2 -> do -- 定义 "exit2"
when ((length ns) < 3) (exit2 (length ns))
when ((length ns) < 5) (exit2 n)
when ((length ns) < 7) $ do
let ns' = map intToDigit (reverse ns)
exit1 (dropWhile (=='0') ns') -- 跳出两层结构
return $ sum ns
return $ "(ns = " ++ (show ns) ++ ") " ++ (show n')
return $ "Answer: " ++ str
fun 接收一個 n 作為參數。它的實現使用了 Cont 和 callCC 以構建一個控制結構，其中再次使用 Cont 和 callCC ，依據 n 的範圍來做一些不同的事，正如開頭的注釋所說那樣。讓我們一步步看:
- 首先，處於代碼首層的
(`runCont` id)僅僅是說我們將構造一個Cont塊並使用id作為延續（換句話說，我們不做改變地將值從暫停的計算中提取出來）。這是有必要的，因為fun的返回值類型中並沒有Cont。 - 我們將以下
callCCdo 代碼塊的結果命名為str:- 若
n小於10，我們直接退出，返回n的字符串表示。 - 否則，我們構造列表
ns，其中包含了n `div` 2的各數位。 - 將以下
callCCdo 代碼塊的結果（類型為Int）命名為n'。- 如果
length ns < 3成立，也就是說，n `div` 2的數位數小於3，我們從此層退出，返回數位數。 - 如果
n `div` 2的數位數小於5，我們從此層退出，返回n。 - 如果
n `div` 2的數位數小於7，我們從此層以及外層退出，返回n `div` 2的倒序顯示的數位數（一個String）。 - 否則，我們從此層退出，返回
n `div` 2的各數位之和。
- 如果
- 我們從這個 do 代碼塊退出，返回 String
"(ns = X) Y"，其中 X 代表ns，n `div` 2的各數位，Y 代表從內層 do 代碼塊中返回的結果，即n'。
- 若
- 最後，我們從整個函數中返回 "Answer: Z"，其中 Z 代表我們從
callCCdo 代碼塊中獲得的值。
例子: 異常
[編輯]我們也可以用延續來處理異常。我們將使用 兩個 延續: 一個用於處理異常，另一個代表執行成功後的後續計算。下面這個簡單的函數將它的兩個參數作整數除法，若分母為零則產生異常。
例子: 能夠拋出異常的 div
divExcpt :: Int -> Int -> (String -> Cont r Int) -> Cont r Int
divExcpt x y handler = callCC $ \ok -> do
err <- callCC $ \notOk -> do
when (y == 0) $ notOk "分母为零"
ok $ x `div` y
handler err
{- For example,
runCont (divExcpt 10 2 error) id --> 5
runCont (divExcpt 10 0 error) id --> *** Exception: 分母为零
-}
它是如何工作的？我們使用了兩個嵌套的 callCC 調用。第一個給出了當一切正常時使用的延續；第二個則給出了當異常發生時所使用的延續。如果分母不為 0，x `div` y 被傳入 ok，計算跳回頂層的 divExcpt。但是，如果分母為 0，我們將一條錯誤信息傳給 notOk，後者將我們從內層的 do 代碼塊中彈出。我們給出的信息被命名為 err 並傳給 handler。
下面是一個更為通用的異常處理函數。傳入一個暫停中的計算作為第一個參數（更精確的說，這是一個接收一個錯誤處理函數然後返回一個Cont Monad的函數），以及一個錯誤處理函數作為第二個參數。本例使用了 MonadCont 類型類 [4]，其包含了 Cont 和相對應的 ContT transformer，以及對應的一系列 instance。
例子: 通用的 try ，使用了延續。
import Control.Monad.Cont
tryCont :: MonadCont m => ((err -> m a) -> m a) -> (err -> m a) -> m a
tryCont c h = callCC $ \ok -> do
err <- callCC $ \notOk -> do
x <- c notOk
ok x
h err
實際使用的例子 try :
例子: 使用 try
data SqrtException = LessThanZero deriving (Show, Eq)
sqrtIO :: (SqrtException -> ContT r IO ()) -> ContT r IO ()
sqrtIO throw = do
ln <- lift (putStr "输入一个需要开平方根的数: " >> readLn)
when (ln < 0) (throw LessThanZero)
lift $ print (sqrt ln)
main = runContT (tryCont sqrtIO (lift . print)) return
本例中，拋出異常意味著從 callCC 的代碼塊中彈出。sqrtIO 中的 throw 使得我們從 tryCont 內的 callCC 中跳出.
例子: 協程
[編輯]本例中，我們定義一個 CoroutineT Monad 以實現 fork 和 yield 函數。fork 將一個暫停的協程壓入隊列，yield 暫停當前的協程.
{-# LANGUAGE GeneralizedNewtypeDeriving #-}
-- 我们使用 GeneralizedNewtypeDeriving 以避免一些枯燥无味的代码。在GHC 7.8及之前的版本中,
-- 这个拓展满足 Safe Haskell。
import Control.Applicative
import Control.Monad.Cont
import Control.Monad.State
-- CoroutineT Monad 只是一个ContT嵌套的StateT，后者包含了暂停的协程。
newtype CoroutineT r m a = CoroutineT {runCoroutineT' :: ContT r (StateT [CoroutineT r m ()] m) a}
deriving (Functor,Applicative,Monad,MonadCont,MonadIO)
-- 用以操作协程的队列。
getCCs :: Monad m => CoroutineT r m [CoroutineT r m ()]
getCCs = CoroutineT $ lift get
putCCs :: Monad m => [CoroutineT r m ()] -> CoroutineT r m ()
putCCs = CoroutineT . lift . put
-- 从队列弹出/向队列压入协程。
dequeue :: Monad m => CoroutineT r m ()
dequeue = do
current_ccs <- getCCs
case current_ccs of
[] -> return ()
(p:ps) -> do
putCCs ps
p
queue :: Monad m => CoroutineT r m () -> CoroutineT r m ()
queue p = do
ccs <- getCCs
putCCs (ccs++[p])
-- 接口。
yield :: Monad m => CoroutineT r m ()
yield = callCC $ \k -> do
queue (k ())
dequeue
fork :: Monad m => CoroutineT r m () -> CoroutineT r m ()
fork p = callCC $ \k -> do
queue (k ())
p
dequeue
-- 恢复暂停的协程，直到队列为空。
exhaust :: Monad m => CoroutineT r m ()
exhaust = do
exhausted <- null <$> getCCs
if not exhausted
then yield >> exhaust
else return ()
-- 在上层的 Monad m 中运行协程。
runCoroutineT :: Monad m => CoroutineT r m r -> m r
runCoroutineT = flip evalStateT [] . flip runContT return . runCoroutineT' . (<* exhaust)
使用樣例:
printOne n = do
liftIO (print n)
yield
example = runCoroutineT $ do
fork $ replicateM_ 3 (printOne 3)
fork $ replicateM_ 4 (printOne 4)
replicateM_ 2 (printOne 2)
輸出:
3 4 3 2 4 3 2 4 4
- ↑
\x -> ($ x)，展開既得\x -> \k -> k x - ↑ attoparsec 是一個使用CPS以提高性能的例子。
- ↑ 練習: 驗證並證明它滿足Monad的性質。
- ↑ 見
mtl包，模塊 Template:Haskell lib.