haskell - 如何实现 index-core 风格的索引状态单子(monad)？

Question

我试图理解 index-core 中的索引单子(monad)风格。我陷入了一个悖论，就是在我构建了几个例子之前我无法理解原理，而我在理解原理之前我无法构建例子。

我正在尝试构建一个索引状态单子(monad)。到目前为止，我的直觉告诉我应该是这样的

type a :* b = forall i. (a i, b i)
newtype IState f a i = IState { runIState :: f i -> (a :* f) }

并且我可以通过设置 f = Identity 来恢复“受限”状态 monad并选择 a适本地:

type IState' s s' a = IState Identity (a := s') s

但我感觉有点失落。有人可以确认我在正确的路线上吗？

我正在使用 a similar question on the indexed continuation monad作为指南，但我认为它还不够接近。

Answer 1

我们可以从索引 Cont 复制 Gabriel 的论点。答案链接。如果标准索引状态单子(monad)是

State s s' a = s -> (a, s')

然后我们分阶段概括它。首先使用 Identity反射(reflect)具体类型 s和 s'作为索引类型空间中的纤维 Identity .

State s s' a = s          -> (a, s')
             ~ Identity s -> (a, Identity s')

然后通过推广值类型 a到索引类型以及“目标”索引，类型 s' .

             ~ Identity s -> (a   , Identity s')
             ~ Identity s -> (a s', Identity s')

然后通过使用存在类型删除目标索引。我们稍后会恢复它。

data a :* b = forall i . P (a i) (b i)

  Identity s -> (a s', Identity s') 
~ Identity s -> P a Identity

最后，我们会注意到 Identity是状态空间的索引类型， a值空间的索引类型，所以我们可以写成 IState作为

newtype IState s -- indexed state space
               a -- indexed value space
               i -- index
  = IState { runIState :: s i -> a :* s }
--   State { runState  :: s   -> (a, s) }        for comparison

为什么使用存在量化的对而不是普遍量化的对？第一个插入来自与 a 关联的索引这一事实。在 IState 中积极发生虽然它在 ICont 中出现了负面影响.第二个提示来自写作 returnI .如果我们使用普遍量化的版本并尝试写 returnI

newtype IState' s a i = IState' { runIState' :: s i -> (forall i . (a i, s i)) }

returnI :: a i -> IState' s a i
returnI a = IState' (\si -> (?forget a, ?forget si))

我们需要这个 forget忘记有关索引的所有信息的函数。

但是，如果我们改为使用存在量化对，则取决于该返回对的构造函数，即 IState 的实现者。值，选择索引。这让我们可以实例化 IFunctor和 IMonad

instance IFunctor (IState s) where
  -- fmapI :: (a :-> b) -> IState s a :-> IState s b
  fmapI phi (IState go) = IState $ \si -> 
    case go si of 
      P ax sx -> P (phi ax) sx

instance IMonad (IState s) where
  -- returnI :: a :-> IState s a
  return ai = IState (\si -> P ai si)

  -- bindI :: (a :-> IState s b) -> (IState s a :-> IState s b)
  bindI f m = IState $ \s ->
    case runIState m s of
      P ax sx -> runIState (f ax) sx

使用这个存在对的唯一缺点是它......实际上很难使用。例如，我们真的希望能够使用“pointed”索引类型构造函数 (:=)为了修复已知索引并从存在对中投影出来。

one :: (a := i :* b) -> a
two :: (a := i :* b) -> b i

不幸的是，即使我们知道存在主义是什么，Haskell 也不够聪明，无法强制存在主义，所以这些预测中的第二个有一个令人讨厌的实现

one :: (a := i :* b) -> a
one (P (V a) _) = a

two :: (a := i :* b) -> b i
two (P _ s) = unsafeCoerce s

最后，证据就在布丁中。我们可以使用 IState实现我们习惯看到的有状态效果的标准补充。

-- Higher order unit type
data U1 a = U1

put :: s i -> IState s U1 j
put s = IState (\_ -> P U1 s)

get :: IState s s i
get = IState (\s -> P s s)

并使用它们来实现一些通用的高阶组合器，例如修改(这需要一个显式的类型签名，但您可以通过一些想法手动从实现中计算它)

modify :: (s :-> s) -> IState s U1 i
modify f = get ?>= put . f

然而，除此之外，我们还有其他表示组合子的方法，这些组合子由于受到 (:=) 的限制而对索引更加明确。 .这对于传递有关索引的更多信息很有用。

put' :: s i1 -> IState s (() := i1) i
put' s = IState (\_ -> P (V ()) s)

get' :: IState s (s i := i) i
get' = IState (\s -> P (V s) s)

modify' :: (s -> s) -> IState (s := j) (() := j) i
modify' f = get >>= put' . V . f

modify'' :: (s i -> s k) -> IState s (() := k) i
modify'' f = get' >>= put' . f

最后，我们可以使用所有这些来实现一个示例。例如，我们可以在文件句柄状态上构建索引类型，但这并不是非常有用。

data Open
data Closed
data Any a

data St where
  So :: Int -> St Open
  Sc ::        St Closed
  Sa :: a   -> St (Any a)

getAny :: St (Any a) -> a
getAny (Sa a) = a

然后我们可以构建

open :: String -> File Closed Open ()
open name = put' (SOpen $ getHandle name) where
  getHandle = length

close :: File Open Closed ()
close = put' SClosed

getHandle :: File Open Open Int
getHandle = do
  SOpen i <- get'
  return i

putA :: a -> File x (Any a) ()
putA a = put' (SAny a)

在哪里

open "foo" >> close                -- typechecks
open "foo" >> close >> close       -- fails
open "foo" >> getHandler >> close  -- typechecks
open "foo" >> close >> getHandler  -- fails

和类似的东西

> one $ runIState (do putA 4
                      sa <- get'
                      return (getAny sa)) Sc
4
> one $ runIState (do putA ()
                      sa <- get'
                      return (getAny sa)) Sc
()
> one $ runIState (do putA 4
                      putA ()
                      sa <- get'
                      return (getAny sa)) Sc
()

所有的工作。