Как верно было подмечено, монады — это очень просто. А еще монады — везде. Почему же тогда у многих с ними проблемы?
1. Терминология
Где-то написано, что использование нетипичной для предметной области терминологии — это аттрибут троллинга (к сожалению, не удалось найти ссылку). Можно возразить: "да ведь монады — это же математический термин". Да, но математика и инженерия (в частности, программирование) — разные дисциплины. Математики не строят мосты, да. А термин монада не относится к предметной области программирования. В ней есть такое понятие как "вычисление" (computation). (Пусть меня осудят, но) фактически, монада в Haskell — это стратегия вычисления.
Почему же тогда говорят "поместить/извлечь значение в/из монаду/ы"? Говорят так для простоты. На самом деле, можно лишь запустить определенное вычисление с определенным входным значением (отсюда и идиома run...). Слишком похоже на "запустить процедуру", не так ли?
Так что с термином "монада" либо создатели Haskell были недостаточно дальновидны, либо, просто, хотели эпатировать программистский мир.
2. Подход к изучению
К сожалению, большинство объяснений монад так или иначе отталкиваются от того, что монада — это всего навсего тип и 2 простые функции. Но проблема в том, что от того, что вы поймете, как работают функции return и bind, вам не станет сразу ясно, зачем они нужны вместе. Отталкиваться в понимании того, что такое
Какие бывают стратегии вычисления? Я сейчас не буду называть самую важную из них, а напишу о ней в следующей записи — пока предлагаю прийти к ответу самостоятельно. Могут быть: вычисление, которое завершается неудачно, если неудачно завершается хотя бы одно из внутренних подвычислений — это знаменитая монада Maybe, которую мы сейчас рассмотрим. Может быть вычисление, которое использует какое-то доступное для всех подвычислений "хранилище" данных — State. Есть вычисление, которое связанно с обменом данными с внешней средой — IO и т.д.
Бытует мнение, что Haskell — ленивый язык (более того, это официальная позиция). На самом деле, все немного сложнее или проще, зависит от того, как посмотреть. Во-первых, всем понятно, что абсолютно (или, как говорится, чисто) ленивого языка быть не может, поскольку в таком случае мы никогда не получим какого-то результата работы программы. Каким образом Haskell'исты выходят из этого затруднения? Принято говорить, что, в целом, язык ленивый, а вся неленивость/энергичность (eagerness) находится (так и хочется сказать, заточЕна) внутри монад. Но дело в том, что любая Haskell-программа находится внутри монады IO. В итоге оказывается, что ленивыми в Haskell являются только чистые функции, а все вычисления (в понимании программистском), которых, на самом деле, большая часть — все равно остаются энергичными. В то же время любая чистая Haskell-функция, учитывая pattern matching и немутируемые переменные, по большому счету представляют из себя одну case-конструкцию и вызов других функций. Красиво? Часто, да. Однобоко? Тоже. ОК, но самое интересное дальше.
И в других языках примерно то же самое! По сути, разница только в том, что:
(а) не проведена четкая граница между ленивыми вычислениями и энергичными. Впрочем, каждый может для себя ее проводить сам: например, можно думать о ленивых вычислениях как об аттрибутах "математических" функций (и таким образом их и программировать), а об энергичных — как о процедурах. В любом языке может быть реализована ленивая стратегия вычислений, однако не везде это сделать одинаково легко...
(б) программист самостоятельно может строить процесс вычисления адекватный конкретной задаче. По сути, построение вычислительных процессов и есть одно из главных составляющих собственно того, что мы понимаем под программированием
Можно выдвинуть предположение, что все разные виды вычислений можно свести кнескольким десяткамопределенному количеству монад. И, изучив их, можно будет составлять вычисления, как кубики в конструкторе. (И это предположение действительно выдвигается). В таком случае монады и вправду становились бы решающим методом абстракции в программировании. Впрочем, оказывается, что даже сведя вычисления к монадам, составлять их также легко, как кубики, не удается, и приходится прибегнуть к помощи еще одних монад — монадных преобразователей (monad transformers). В итоге, монада на монаде сидит и монадой погоняет... :) (Можно было догадаться исходя из принципа вычислительной эквивалентности. Вообще говоря, приняв во внимание этот принцип, можно понять, что максима "there is no silver bullet" таки справедлива всегда).
И еще одно: вывод про сведение всех вычислений к определенному набору не нов. Он лежит в основе структурного программирования, где доказано, что все вычисления можно свести к комбинации последовательного выполнения, условного выражения и цикла.
Вот тут то разница между Haskell'ем и другими языками становится наиболее существенной: другие языки имеют синтаксическую поддержку определенного узкого набора монад, и дают возможность создавать другие монады ad hoc с использованием того или иного механизма. Haskell, по сути, делает то же самое, только создание новых монад регуляризирует и вгоняет в определенные рамки. Итак Haskell — это язык, в котором дисциплина на первом месте.
В общем, концепция монад очень полезна, чтобы понять, что могут быть совершенно любые стратегии вычислений и не стоит считать, что возможны только те, которые определенный язык считает родными (вот, в С не было стратегии вычисления Exception, а в С++ появилась :)
Возвращаясь к Maybe. Его все понимают, так ведь? Это нужно для того, чтобы если где-то в последовательности вычислений у нас получился элемент Null (Nothing), это значение в итоге вернулось в качестве результата, и при этом другие части вычисления не имели проблем с обработкой такого значения.
Этот шаблон хорошо знаком всем, кому доводилось встречаться с логическими операторами с коротким замыканием. Идеально он работает в Common Lisp, где значение nil также является логической ложью (это, кстати, считается многими одним из кардинальных преимуществ Common Lisp над Scheme, в котором эти 2 значения разделены). Ниже приводится пример реализации Maybe на CL, аналогичный примеру из пособия по монадам:
(defmacro maybecall (val &rest funs)
"Consequently apply a sequence of FUNctionS to the
return value of the previous computation, starting with VAL"
`(and-it ,val
,@(mapcar (lambda (fun)
`(funcall ,fun it))
funs)))
;; где:
(defmacro and-it (&rest args)
"Like AND, but IT is bound to the value of the previous computation"
(cond ((null args) t)
((null (tail args)) (first args))
(t `(let ((it ,(first args)))
(when it
(and-it ,@(tail args)))))))
;; работает?
(defun mother (x)
(gethash x *mothers*))
(defun father (x)
(gethash x *fathers*))
(setf (gethash :b *fathers*) :e
(gethash :a *fathers*) :d
(gethash :b *mothers*) :c
(gethash :a *mothers*) :b)
(maybecall :a #'mother #'father) => :e
(maybecall :a #'mother #'father #'father #'brother) => nil
;; и даже на brother не ругается, потому что до него дело не доходит
Впрочем, я понял, что обычный AND (или AND-IT) в CL — это и есть полноценная реализация Maybe стратегии. Притом простая и понятная, нет?
3. Нужны ли монады за пределами Haskell'я?
То, что в других языках представляет из себя единую ткань вычислений, в рамках Haskell разделено на 2 класса: чистые (обычные функции) и "грязные" (монады). Это приводит к разделению (дублированию) синтаксиса и усложнению программного кода (полная противоположность дуалистического подхода). В то же время, это делает рассуждения о программах более структурированными и помогает (однако не гарантирует!) соблюдению принципа ссылочной целостности. В теории концепция монад полезна для понимания того, что такое вычисления. На практике же введение дополнительных правил приводит к тому, что появляется определенный предел выразительности языка и близости его к предметной области. Именно так, несмотря на заявления программистов на Haskell об обратном: концепция монады, монадного трансформера и т.д. неимоверно далеки от любой предметной области, которая встречается при программировании, а абстрагировать их средствами Haskell не удастся. Более того, само понятие вычисления, которое в других языках остается имплицитным, в Haskell'е достается на поверхность. Именно с этим, по-моему, связанны частые претензии к преувеличенной сложности Haskell программ.
---
В следующей записи я дам ответ на вопрос про самую главную монаду, а также попробую разобрать по-отдельности несколько других монад.
Еще по теме:
* All About Monads
* Why monads have not taken the Common Lisp world by storm
