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Freer Monads, More
Extensible Effects
PPL 2016

岡山県玉野市 2016/03/08
Oleg Kiselyov
Tohoku University
Hiromi ISHII
University o...
Table of Contents
• Background: Monad Transformer
• Extensible Effects
• More Extensible Effects
• Examples
• Benchmarks
• C...
Background
Background
モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ
Background
•問題:モナド(=副作用)の合成
モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ
Background
•問題:モナド(=副作用)の合成
• 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい
モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ
Background
•問題:モナド(=副作用)の合成
• 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい
• 主流:モナド変換子 (MTL)
モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ
Background
•問題:モナド(=副作用)の合成
• 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい
• 主流:モナド変換子 (MTL)
• 各副作用に特化した層を重ねる
モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ
ExceptT...
Background
•問題:モナド(=副作用)の合成
• 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい
• 主流:モナド変換子 (MTL)
• 各副作用に特化した層を重ねる
• ハンドラが担当する副作用を処理して下位層の効果
に変換される
モナ...
Background
•問題:モナド(=副作用)の合成
• 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい
• 主流:モナド変換子 (MTL)
• 各副作用に特化した層を重ねる
• ハンドラが担当する副作用を処理して下位層の効果
に変換される
• ...
Background
•問題:モナド(=副作用)の合成
• 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい
• 主流:モナド変換子 (MTL)
• 各副作用に特化した層を重ねる
• ハンドラが担当する副作用を処理して下位層の効果
に変換される
• ...
モナド変換子の問題点
1. 意味論の固定
• 一つのモナド層に一つの解釈
2. Too many lifts!!!
• 合成が深くなると lift が増える
• 型クラスを使うと同種の副作用の使用に
制限
3. 合成順の固定
• 実行時に合成順...
モナド変換子の問題点
1. 意味論の固定
• 一つのモナド層に一つの解釈
2. Too many lifts!!!
• 合成が深くなると lift が増える
• 型クラスを使うと同種の副作用の使用に
制限
3. 合成順の固定
• 実行時に合成順...
Extensible Effects
Extensible Effects
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
Extensible Effects
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
• モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor
Extensible Effects
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
• モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor
• 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える
Extensible Eff...
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
• モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor
• 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える
• 副作用の処理をClie...
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
• モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor
• 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える
• 副作用の処理をClie...
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
• モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor
• 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える
• 副作用の処理をClie...
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
• モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor
• 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える
• 副作用の処理をClie...
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
• モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor
• 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える
• 副作用の処理をClie...
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
• モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor
• 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える
• 副作用の処理をClie...
• アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単
• モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor
• 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える
• 副作用の処理をClie...
自由モナド
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
Λ∗
S
Λ
ϕ
{ · }
∃!
ϕ
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
Λ∗
S
Λ
ϕ
{ · }
∃!
ϕ
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
• モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap
φ : Λ★
→ M は右図を可換にする唯一の写像
Λ∗
S
Λ
ϕ
{ · ...
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
• モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap
φ : Λ★
→ M は右図を可換にする唯一の写像
Λ∗
S
Λ
ϕ
{ · ...
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
• モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap
φ : Λ★
→ M は右図を可換にする唯一の写像
Λ∗
S
Λ
ϕ
{ · ...
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
• モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap
φ : Λ★
→ M は右図を可換にする唯一の写像
• Λ を「含む」最小のモ...
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
• モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap
φ : Λ★
→ M は右図を可換にする唯一の写像
• Λ を「含む」最小のモ...
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
• モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap
φ : Λ★
→ M は右図を可換にする唯一の写像
• Λ を「含む」最小のモ...
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
• モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap
φ : Λ★
→ M は右図を可換にする唯一の写像
• Λ を「含む」最小のモ...
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
• モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap
φ : Λ★
→ M は右図を可換にする唯一の写像
• Λ を「含む」最小のモ...
自由モナド
• クリーネ閉包 Λ★
:Λの有限文字列全体
• 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当
• モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap
φ : Λ★
→ M は右図を可換にする唯一の写像
• Λ を「含む」最小のモ...
自由モナド
data Free f α = Pure α
| Join (f (Free f α))
deriving (Functor)
handle' ∷ Functor f ⇒ (f a → a) → Free f a → a
liftF...
自由モナド
• 抽象構文木:モナド = 函手 + join + return
data Free f α = Pure α
| Join (f (Free f α))
deriving (Functor)
handle' ∷ Functor f...
自由モナド
• 抽象構文木:モナド = 函手 + join + return
• Free f はこれらを頂点に持つ木構造として定義出来る
data Free f α = Pure α
| Join (f (Free f α))
derivin...
自由モナド
• 抽象構文木:モナド = 函手 + join + return
• Free f はこれらを頂点に持つ木構造として定義出来る
• Monad の定義は型をグッと睨めば導出できる
data Free f α = Pure α
| J...
Reader(環境モナド)
• 函手にするため副作用を継続渡し形式 (CPS) で記述
• 複数の解釈が可能(自由モナドの普遍性)
data Ask i a = Ask (i → a) deriving (Functor)
ask ∷ Free...
Reader(環境モナド)
• 函手にするため副作用を継続渡し形式 (CPS) で記述
• 複数の解釈が可能(自由モナドの普遍性)
data Ask i a = Ask (i → a) deriving (Functor)
ask ∷ Free...
複数の解釈が可能
ghci> runReader 12 $ ask >> (,) <$> ask <*> ask
⇒ (12,12)
ghci> runIt [12, 23, 34] $ ask >> (,) <$> ask <*> ask
⇒...
直和:State = Ask + Tell
直和:State = Ask + Tell
data Tell e a = Tell a e deriving (Functor)
• Writer も同様に継続渡しで作れる
直和:State = Ask + Tell
data Tell e a = Tell a e deriving (Functor)
継続
• Writer も同様に継続渡しで作れる
直和:State = Ask + Tell
data Tell e a = Tell a e deriving (Functor)
継続 ログ出力
• Writer も同様に継続渡しで作れる
直和:State = Ask + Tell
• Tell と Ask で State を創るには?
data Tell e a = Tell a e deriving (Functor)
継続 ログ出力
• Writer も同様に継続渡しで作れる
直和:State = Ask + Tell
• Tell と Ask で State を創るには?
➡ 函手の直和 f ⊕ g:f, g いずれかの構築子を持つ函手
data Tell e a = Tell a e deriving (Func...
直和:State = Ask + Tell
• Tell と Ask で State を創るには?
➡ 函手の直和 f ⊕ g:f, g いずれかの構築子を持つ函手
data Tell e a = Tell a e deriving (Func...
Open Union
• Open Union: 函手の合成を任意個に一般化
data Union (fs ∷ [★ → ★]) a
class f ∈ fs -- 「f は函手のリスト fs の要素」
inj ∷ f ∈ fs ⇒ f a →...
完成:Extensible Effects
• 原論文では、これに更にCPS変換を施している
• モナド変換子の問題のうち、以下は解決
1. 意味論の固定 2. Too many lifts!!! 3. 合成順の固定
๏ 3 については後ほど M...
Extensible Effects まとめ
Extensible Effects まとめ
Extensible Effects
‖
Free Monad
+
Open Union
+
継続渡し形式(CPS)
Ext Eff の問題点
Ext Eff の問題点
• 合成に Functor が必要、fmap にコスト
Ext Eff の問題点
• 合成に Functor が必要、fmap にコスト
• 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き
Ext Eff の問題点
• 合成に Functor が必要、fmap にコスト
• 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き
• 継続ベースで、ハンドラが書きづらい
Ext Eff の問題点
• 合成に Functor が必要、fmap にコスト
• 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き
• 継続ベースで、ハンドラが書きづらい
• ライブラリ開発が面倒
Ext Eff の問題点
• 合成に Functor が必要、fmap にコスト
• 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き
• 継続ベースで、ハンドラが書きづらい
• ライブラリ開発が面倒
• 技術的な問題:動的キャストの利用
Ext Eff の問題点
• 合成に Functor が必要、fmap にコスト
• 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き
• 継続ベースで、ハンドラが書きづらい
• ライブラリ開発が面倒
• 技術的な問題:動的キャストの利用
•...
Ext Eff の問題点
• 合成に Functor が必要、fmap にコスト
• 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き
• 継続ベースで、ハンドラが書きづらい
• ライブラリ開発が面倒
• 技術的な問題:動的キャストの利用
•...
Ext Eff の問題点
• 合成に Functor が必要、fmap にコスト
• 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き
• 継続ベースで、ハンドラが書きづらい
• ライブラリ開発が面倒
• 技術的な問題:動的キャストの利用
•...
Freer Monads, 

More Extensible Effects
Extensible Effects
Extensible Effects
‖
Free Monad
+
Open Union
+
継続渡し形式(CPS)
More

Extensible Effects
More Extensible Effects
‖
Freer Monad
+
Open Union
+
Type-aligned Sequence
= Operational
Monad
Freer Monad とは
Freer Monad とは
• ??「Freer Monad は単項型の恒等函手に沿っ

   た左 Kan 拡張だよ。何か問題でも?」
Freer Monad とは
• ??「Freer Monad は単項型の恒等函手に沿っ

   た左 Kan 拡張だよ。何か問題でも?」
➡ 問題しかない(少なくとも私にとっては)
Freer Monad とは
• ??「Freer Monad は単項型の恒等函手に沿っ

   た左 Kan 拡張だよ。何か問題でも?」
➡ 問題しかない(少なくとも私にとっては)
• これまでを踏まえた説明:
Freer Monad とは
• ??「Freer Monad は単項型の恒等函手に沿っ

   た左 Kan 拡張だよ。何か問題でも?」
➡ 問題しかない(少なくとも私にとっては)
• これまでを踏まえた説明:
• Freer Monad =...
自由 Functor と

Freer Monad
data FFree f a = ∀ b. FMap (b → a) (f b)
instance Functor (FFree f) where
fmap f (FMap g a) = FM...
自由 Functor と

Freer Monad
data FFree f a = ∀ b. FMap (b → a) (f b)
instance Functor (FFree f) where
fmap f (FMap g a) = FM...
自由 Functor と

Freer Monad
• 任意の単項型構築子 f ∷ ★ → ★ に対し、FFree f ∷ ★ → ★
は自動的にFunctor (= 自由Functor = Idに沿った左Kan拡張)
data FFree f...
自由 Functor と

Freer Monad
• 任意の単項型構築子 f ∷ ★ → ★ に対し、FFree f ∷ ★ → ★
は自動的にFunctor (= 自由Functor = Idに沿った左Kan拡張)
data FFree f...
Freer の定義の導出
Freer の定義の導出
• Free と FFree の定義を展開する
Freer f a = Free (FFree f) a
≃ Pure a
| Impure (FFree f (Freer f a))
≃ Pure a
| ∀ b. ...
Freer の定義の導出
• Free と FFree の定義を展開する
Freer f a = Free (FFree f) a
≃ Pure a
| Impure (FFree f (Freer f a))
≃ Pure a
| ∀ b. ...
Freer の定義の導出
• Free と FFree の定義を展開する
Freer f a = Free (FFree f) a
≃ Pure a
| Impure (FFree f (Freer f a))
≃ Pure a
| ∀ b. ...
Freer の定義の導出
• Free と FFree の定義を展開する
Freer f a = Free (FFree f) a
≃ Pure a
| Impure (FFree f (Freer f a))
≃ Pure a
| ∀ b. ...
インスタンス定義
• 継続を合成していけば良いだけの素直な実装
• Functor 不要!(fmap f a = (return . f) =<< a)
data Eff r a
= Pure a
| ∀ b. Impure (Union r ...
ハンドラ実装用便利関数
• 古い ExtEff だとここまで使い易い型にならない
• リレーしていくだけなのでこれらの実装も容易
• ループ内部状態ありの版や、効果を取り除かない版も可能
handle_relay ∷ (a → Eff r w)
...
例:Ask, Tell 再訪
data Ask i a where Ask ∷ Ask i i
data Tell i a where Tell ∷ i → Tell i ()
ask ∷ (Ask i ∈ r) ⇒ Eff r i
ask =...
例:Ask, Tell 再訪
• プリミティヴな関数とほぼ同じ型のデータ構築子を用意
data Ask i a where Ask ∷ Ask i i
data Tell i a where Tell ∷ i → Tell i ()
ask ∷...
例:Ask, Tell 再訪
• プリミティヴな関数とほぼ同じ型のデータ構築子を用意
➡ 旧来の ExtEff での定義に比べて非常に素直
data Ask i a where Ask ∷ Ask i i
data Tell i a where ...
ハンドラの実装
• 実質 return と (>>=) を書くだけなので楽
runReader ∷ e → Eff (Ask e : r) a → Eff r a
runReader e = handle_relay return (λ Ask...
More

Extensible Effects
More Extensible Effects
‖
Freer Monad
+
Open Union
+
Type-aligned Sequence
= Operational
Monad
More

Extensible Effects
More Extensible Effects
‖
Freer Monad
+
Open Union
+
Type-aligned Sequence
これまでの実装の欠点
• Eff モナドインスタンスの定義
instance Monad (Eff f) where
return = Pure
(Pure x) ≫= f = f x
(Impure fa k) ≫= f = Impure fa...
これまでの実装の欠点
• Eff モナドインスタンスの定義
instance Monad (Eff f) where
return = Pure
(Pure x) ≫= f = f x
(Impure fa k) ≫= f = Impure fa...
これまでの実装の欠点
• Eff モナドインスタンスの定義
instance Monad (Eff f) where
return = Pure
(Pure x) ≫= f = f x
(Impure fa k) ≫= f = Impure fa...
これまでの実装の欠点
• Eff モナドインスタンスの定義
instance Monad (Eff f) where
return = Pure
(Pure x) ≫= f = f x
(Impure fa k) ≫= f = Impure fa...
Type-aligned Sequence
Type-aligned Sequence
• 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を
考えて必要になったら適宜評価していけばよい
Type-aligned Sequence
• 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を
考えて必要になったら適宜評価していけばよい
• 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack
Type-aligned Sequence
• 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を
考えて必要になったら適宜評価していけばよい
• 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack
• 初出では Reflect...
Type-aligned Sequence
• 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を
考えて必要になったら適宜評価していけばよい
• 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack
• 初出では Reflect...
Type-aligned Sequence
• 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を
考えて必要になったら適宜評価していけばよい
• 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack
• 初出では Reflect...
Type-aligned Sequence
• 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を
考えて必要になったら適宜評価していけばよい
• 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack
• 初出では Reflect...
Type-aligned Sequence
• 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を
考えて必要になったら適宜評価していけばよい
• 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack
• 初出では Reflect...
最終結果
• Union と FTCQ の実装を改善していけば、効率
が劇的に改善する
type Arrs r a b = FTCQ (Eff r) a b
data Eff r a = Pure a
| ∀ b. Impure (Union ...
Example
Example : 例外処理
Example : 例外処理
• MTL が最も苦手とする物の一つ
• 「階層を跨いだ処理」が効いてくる場面の一つ
• (以下、わかりやすさのため Refl w/o Remorse
適用前のコード)
例外作用の定義
data Exc e a = ThrowError e
throwError ∷ Exc e ∈ r ⇒ e → Eff r a
catchError ∷ ∀ e r a. Exc e ∈ r

⇒ Eff r a → (e →...
例外作用の定義
data Exc e a = ThrowError e
throwError ∷ Exc e ∈ r ⇒ e → Eff r a
catchError ∷ ∀ e r a. Exc e ∈ r

⇒ Eff r a → (e →...
例外作用の定義
data Exc e a = ThrowError e
throwError ∷ Exc e ∈ r ⇒ e → Eff r a
catchError ∷ ∀ e r a. Exc e ∈ r

⇒ Eff r a → (e →...
トランザクション
• 例外等で動作が中断した場合、継続は呼ばれない
➡ Pure で末端に達したら状態を大域的に反映すればよい
transaction ∷ ∀ s r a. (State s) ∈ r
⇒ Proxy s → Eff r a →...
実行例
transTest
= runLift $ flip runState True $
flip runState 'a' $
runError' (Proxy ∷ Proxy String) $ handled $
transactio...
実行例
transTest
= runLift $ flip runState True $
flip runState 'a' $
runError' (Proxy ∷ Proxy String) $ handled $
transactio...
実行例
transTest
= runLift $ flip runState True $
flip runState 'a' $
runError' (Proxy ∷ Proxy String) $ handled $
transactio...
MTLでは?
• 階層を跨げないので transaction に相当する関数は実装不能
• しかも合成順によって挙動が違う!
• ExceptT が先頭なら全部コミット、そうでなきゃロールバック
ghci> let handler = flip...
まとめ・その他
• (More) Extensible Effects では、階層を跨いだ
ハンドラが実装出来る
• MTL では実現不可能だった処理も実装可能
• I/Oエラーの捕捉や、Error モナドへのリレーも容易
• 原論文 [KI15...
Benchmarks
Benchmarks
• メイン:5の倍数を数える
• その上下に余分な Reader 層
を足し計算を実行
• MTL、旧ExtEff、MoreEE と
競合手法の HIA [KSS13] を
比較
• 環境:Intel Core i7 2.8...
Readers under State
実行時間(sec)
0
1.25
2.5
3.75
5
0 1 2 3 4
MTL HIA Old ExtEff More ExtEff
TotalAlloc(KBytes)
0
200
400
600
80...
TotalAlloc(Kbytes)
0
200
400
600
800
0 250 500 750 1000
Reader の数
Readers over State
GHC 7.8 ではより
O(n2) に近い勾配
実行時間(sec)
0
...
補足と考察
• 旧 Ext Eff から大幅に改善
• Reader層を State 層に置き換えると、両方の場
合についてNOINLINE 付きでも MTL が線型速度
• 大きな計算の場合、時間・空間消費量ともに
More Ext Eff が最...
Conclusions
Conclusions
• More Extensible Effects は MTL の代替
๏ 高効率
• 時間・空間計算量が、競合手法の中でもかなり効率的
• 多数の副作用を合成する際に威力を発揮
๏ 柔軟で高い表現力
• 制約無しに副作用...
参考文献
[KI15] Kiselyov and ISHII, Freer Monads, More Extensible Effects. Haskell '15.
[KLO13] Kammar, S. Lindley, and N. Our...
Thank you!
Any Questions?
• More Extensible Effects は MTL の代替
๏ 高効率
• 時間・空間計算量が、競合手法の中でもかなり効率的
• 多数の副作用を合成する際に威力を発揮
๏ 柔軟で高い表現力
• 制約無しに...
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Freer Monads, More Extensible Effects

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PPL 2016 における講演。Haskell Symposium 2015 で発表した Kiselyov & Ishii の同名論文の解説スライド。

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Freer Monads, More Extensible Effects

  1. 1. Freer Monads, More Extensible Effects PPL 2016
 岡山県玉野市 2016/03/08 Oleg Kiselyov Tohoku University Hiromi ISHII University of Tsukuba (Originally Published in Haskell '15) (This slide is available at: http://bit.ly/1LaPQrj)
  2. 2. Table of Contents • Background: Monad Transformer • Extensible Effects • More Extensible Effects • Examples • Benchmarks • Conclusions
  3. 3. Background
  4. 4. Background モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ
  5. 5. Background •問題:モナド(=副作用)の合成 モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ
  6. 6. Background •問題:モナド(=副作用)の合成 • 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ
  7. 7. Background •問題:モナド(=副作用)の合成 • 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい • 主流:モナド変換子 (MTL) モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ
  8. 8. Background •問題:モナド(=副作用)の合成 • 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい • 主流:モナド変換子 (MTL) • 各副作用に特化した層を重ねる モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ ExceptT String StateT Int WriterT [Log] IO runExceptT runStateT runWriterT
  9. 9. Background •問題:モナド(=副作用)の合成 • 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい • 主流:モナド変換子 (MTL) • 各副作用に特化した層を重ねる • ハンドラが担当する副作用を処理して下位層の効果 に変換される モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ ExceptT String StateT Int WriterT [Log] IO runExceptT runStateT runWriterT
  10. 10. Background •問題:モナド(=副作用)の合成 • 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい • 主流:モナド変換子 (MTL) • 各副作用に特化した層を重ねる • ハンドラが担当する副作用を処理して下位層の効果 に変換される • 下位層の副作用は lift か型クラスを用いて呼び出す モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ ExceptT String StateT Int WriterT [Log] IO runExceptT runStateT runWriterT
  11. 11. Background •問題:モナド(=副作用)の合成 • 出来合いの物を合成し新たなモナドを創りたい • 主流:モナド変換子 (MTL) • 各副作用に特化した層を重ねる • ハンドラが担当する副作用を処理して下位層の効果 に変換される • 下位層の副作用は lift か型クラスを用いて呼び出す ★ (More) Extensible Effects はその代替 モナド:関数型言語で命令的に副作用を記述する方法の一つ ExceptT String StateT Int WriterT [Log] IO runExceptT runStateT runWriterT
  12. 12. モナド変換子の問題点 1. 意味論の固定 • 一つのモナド層に一つの解釈 2. Too many lifts!!! • 合成が深くなると lift が増える • 型クラスを使うと同種の副作用の使用に 制限 3. 合成順の固定 • 実行時に合成順が確定され、階層を跨い だ処理が不可能 4. 合成のコスト ➡ Extensible Effects [KSS2013] はこれらを解決
  13. 13. モナド変換子の問題点 1. 意味論の固定 • 一つのモナド層に一つの解釈 2. Too many lifts!!! • 合成が深くなると lift が増える • 型クラスを使うと同種の副作用の使用に 制限 3. 合成順の固定 • 実行時に合成順が確定され、階層を跨い だ処理が不可能 4. 合成のコスト ➡ Extensible Effects [KSS2013] はこれらを解決 ExceptT String StateT Int WriterT [Log] IO runExceptT runStateT runWriterT
  14. 14. Extensible Effects
  15. 15. Extensible Effects
  16. 16. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 Extensible Effects
  17. 17. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 • モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor Extensible Effects
  18. 18. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 • モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor • 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える Extensible Effects
  19. 19. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 • モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor • 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える • 副作用の処理をClient-Server モデルで捉える Extensible Effects
  20. 20. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 • モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor • 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える • 副作用の処理をClient-Server モデルで捉える Extensible Effects Eff [...] aClient = プログラム runStaterunWriter runErrorcatch Server = ハンドラ
  21. 21. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 • モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor • 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える • 副作用の処理をClient-Server モデルで捉える Request = 命令 (get, tell, throw...) Extensible Effects Eff [...] aClient = プログラム runStaterunWriter runErrorcatch Server = ハンドラ
  22. 22. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 • モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor • 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える • 副作用の処理をClient-Server モデルで捉える Request = 命令 (get, tell, throw...) Extensible Effects Eff [...] aClient = プログラム runStaterunWriter runErrorcatch Server = ハンドラ 委譲
  23. 23. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 • モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor • 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える • 副作用の処理をClient-Server モデルで捉える Request = 命令 (get, tell, throw...) Extensible Effects Eff [...] aClient = プログラム runStaterunWriter runErrorcatch Server = ハンドラ 委譲 委譲
  24. 24. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 • モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor • 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える • 副作用の処理をClient-Server モデルで捉える Request = 命令 (get, tell, throw...) Extensible Effects Eff [...] aClient = プログラム runStaterunWriter runErrorcatch Server = ハンドラ 委譲 委譲 委譲
  25. 25. • アイデア:函手 (Functor) の合成は簡単 • モナド = join :: m (m a) → m a と return を持つ Functor • 副作用を函手の直和で表し、その生成する自由モナドを考える • 副作用の処理をClient-Server モデルで捉える ➡ lift が不要、階層を跨いだ処理が可能(階層がない) Request = 命令 (get, tell, throw...) Extensible Effects Eff [...] aClient = プログラム runStaterunWriter runErrorcatch Server = ハンドラ 委譲 委譲 委譲
  26. 26. 自由モナド
  27. 27. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ
  28. 28. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ
  29. 29. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 • モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap φ : Λ★ → M は右図を可換にする唯一の写像 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ
  30. 30. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 • モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap φ : Λ★ → M は右図を可換にする唯一の写像 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ M Λ ϕ { · } ∃! ϕ
  31. 31. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 • モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap φ : Λ★ → M は右図を可換にする唯一の写像 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ M Λ ϕ { · } ∃! ϕ
  32. 32. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 • モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap φ : Λ★ → M は右図を可換にする唯一の写像 • Λ を「含む」最小のモノイド構造 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ M Λ ϕ { · } ∃! ϕ
  33. 33. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 • モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap φ : Λ★ → M は右図を可換にする唯一の写像 • Λ を「含む」最小のモノイド構造 • 自由モナド:函手 f を命令とする抽象 構文木全体 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ M Λ ϕ { · } ∃! ϕ ϕ ∃! ϕ
  34. 34. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 • モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap φ : Λ★ → M は右図を可換にする唯一の写像 • Λ を「含む」最小のモノイド構造 • 自由モナド:函手 f を命令とする抽象 構文木全体 • 函手 f を「含む」最小のモナド Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ M Λ ϕ { · } ∃! ϕ ϕ ∃! ϕ
  35. 35. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 • モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap φ : Λ★ → M は右図を可換にする唯一の写像 • Λ を「含む」最小のモノイド構造 • 自由モナド:函手 f を命令とする抽象 構文木全体 • 函手 f を「含む」最小のモナド • 普遍性は f の解釈 φ : ∀α. f α → m α から再 帰的にインタプリタ handle φ : ∀α. Free f α → m α が定まる事に対応 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ M Λ ϕ { · } ∃! ϕ ϕ ∃! ϕ
  36. 36. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 • モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap φ : Λ★ → M は右図を可換にする唯一の写像 • Λ を「含む」最小のモノイド構造 • 自由モナド:函手 f を命令とする抽象 構文木全体 • 函手 f を「含む」最小のモナド • 普遍性は f の解釈 φ : ∀α. f α → m α から再 帰的にインタプリタ handle φ : ∀α. Free f α → m α が定まる事に対応 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ M Λ ϕ { · } ∃! ϕ f の各命令の解釈 ϕ ∃! ϕ ϕ ∃! ϕ
  37. 37. 自由モナド • クリーネ閉包 Λ★ :Λの有限文字列全体 • 代数的には Λ 上の自由モノイドに相当 • モノイド準同型 φ : Λ → M に対し foldMap φ : Λ★ → M は右図を可換にする唯一の写像 • Λ を「含む」最小のモノイド構造 • 自由モナド:函手 f を命令とする抽象 構文木全体 • 函手 f を「含む」最小のモナド • 普遍性は f の解釈 φ : ∀α. f α → m α から再 帰的にインタプリタ handle φ : ∀α. Free f α → m α が定まる事に対応 Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ S Λ ϕ { · } ∃! ϕ Λ∗ M Λ ϕ { · } ∃! ϕ f の各命令の解釈 φ の決定する
 インタプリタ ϕ ∃! ϕ ϕ ∃! ϕ ϕ ∃! ϕ
  38. 38. 自由モナド data Free f α = Pure α | Join (f (Free f α)) deriving (Functor) handle' ∷ Functor f ⇒ (f a → a) → Free f a → a liftF ∷ Functor f ⇒ f a → Free f a instance (Functor f) ⇒ Monad (Free f) where return = Pure Pure a ≫= f = f a Join mma ≫= f = Join (fmap (≫= f) mma)
  39. 39. 自由モナド • 抽象構文木:モナド = 函手 + join + return data Free f α = Pure α | Join (f (Free f α)) deriving (Functor) handle' ∷ Functor f ⇒ (f a → a) → Free f a → a liftF ∷ Functor f ⇒ f a → Free f a instance (Functor f) ⇒ Monad (Free f) where return = Pure Pure a ≫= f = f a Join mma ≫= f = Join (fmap (≫= f) mma)
  40. 40. 自由モナド • 抽象構文木:モナド = 函手 + join + return • Free f はこれらを頂点に持つ木構造として定義出来る data Free f α = Pure α | Join (f (Free f α)) deriving (Functor) handle' ∷ Functor f ⇒ (f a → a) → Free f a → a liftF ∷ Functor f ⇒ f a → Free f a instance (Functor f) ⇒ Monad (Free f) where return = Pure Pure a ≫= f = f a Join mma ≫= f = Join (fmap (≫= f) mma)
  41. 41. 自由モナド • 抽象構文木:モナド = 函手 + join + return • Free f はこれらを頂点に持つ木構造として定義出来る • Monad の定義は型をグッと睨めば導出できる data Free f α = Pure α | Join (f (Free f α)) deriving (Functor) handle' ∷ Functor f ⇒ (f a → a) → Free f a → a liftF ∷ Functor f ⇒ f a → Free f a instance (Functor f) ⇒ Monad (Free f) where return = Pure Pure a ≫= f = f a Join mma ≫= f = Join (fmap (≫= f) mma)
  42. 42. Reader(環境モナド) • 函手にするため副作用を継続渡し形式 (CPS) で記述 • 複数の解釈が可能(自由モナドの普遍性) data Ask i a = Ask (i → a) deriving (Functor) ask ∷ Free (Ask e) e ask = liftF (Ask id) runReader ∷ e → Free (Ask e) a → a runReader e = handle (λ (Ask k) → k e) runIt ∷ [e] → Free (Ask e) a → a runIt _ (Pure a) = a runIt (x : xs) (Join (Ask k)) = runIt xs (k x)
  43. 43. Reader(環境モナド) • 函手にするため副作用を継続渡し形式 (CPS) で記述 • 複数の解釈が可能(自由モナドの普遍性) data Ask i a = Ask (i → a) deriving (Functor) ask ∷ Free (Ask e) e ask = liftF (Ask id) runReader ∷ e → Free (Ask e) a → a runReader e = handle (λ (Ask k) → k e) runIt ∷ [e] → Free (Ask e) a → a runIt _ (Pure a) = a runIt (x : xs) (Join (Ask k)) = runIt xs (k x) 継続
  44. 44. 複数の解釈が可能 ghci> runReader 12 $ ask >> (,) <$> ask <*> ask ⇒ (12,12) ghci> runIt [12, 23, 34] $ ask >> (,) <$> ask <*> ask ⇒ (23,34)
  45. 45. 直和:State = Ask + Tell
  46. 46. 直和:State = Ask + Tell data Tell e a = Tell a e deriving (Functor) • Writer も同様に継続渡しで作れる
  47. 47. 直和:State = Ask + Tell data Tell e a = Tell a e deriving (Functor) 継続 • Writer も同様に継続渡しで作れる
  48. 48. 直和:State = Ask + Tell data Tell e a = Tell a e deriving (Functor) 継続 ログ出力 • Writer も同様に継続渡しで作れる
  49. 49. 直和:State = Ask + Tell • Tell と Ask で State を創るには? data Tell e a = Tell a e deriving (Functor) 継続 ログ出力 • Writer も同様に継続渡しで作れる
  50. 50. 直和:State = Ask + Tell • Tell と Ask で State を創るには? ➡ 函手の直和 f ⊕ g:f, g いずれかの構築子を持つ函手 data Tell e a = Tell a e deriving (Functor) 継続 ログ出力 • Writer も同様に継続渡しで作れる data (f ⊕ g) a = InL (f a) | InR (g a) deriving (Functor) runState ∷ s → Free (Tell s ⊕ Ask s) a → (a, s) runState _ (Join (InL (Tell fa e))) = runState e fa runState s0 (Join (InR (Ask k))) = runState s0 (k s0)
  51. 51. 直和:State = Ask + Tell • Tell と Ask で State を創るには? ➡ 函手の直和 f ⊕ g:f, g いずれかの構築子を持つ函手 data Tell e a = Tell a e deriving (Functor) 継続 ログ出力 • Writer も同様に継続渡しで作れる data (f ⊕ g) a = InL (f a) | InR (g a) deriving (Functor) runState ∷ s → Free (Tell s ⊕ Ask s) a → (a, s) runState _ (Join (InL (Tell fa e))) = runState e fa runState s0 (Join (InR (Ask k))) = runState s0 (k s0) • 更に複数の効果を合成するには、多項和に一般化すればよい
  52. 52. Open Union • Open Union: 函手の合成を任意個に一般化 data Union (fs ∷ [★ → ★]) a class f ∈ fs -- 「f は函手のリスト fs の要素」 inj ∷ f ∈ fs ⇒ f a → Union fs a -- InL, InR に対応 prj ∷ f ∈ fs ⇒ Union fs a → Maybe (f a) decomp ∷ Union (f : fs) a → Either (Union fs a) (f a) weaken ∷ Union fs a → Union (f : fs) a absurd ∷ Union '[] a → b • 旧 ExtEff [KSS13] では動的キャストを使用
  53. 53. 完成:Extensible Effects • 原論文では、これに更にCPS変換を施している • モナド変換子の問題のうち、以下は解決 1. 意味論の固定 2. Too many lifts!!! 3. 合成順の固定 ๏ 3 については後ほど More の章で詳説 newtype Eff r a = Eff { unEff ∷ Free (Union r) a } deriving (Functor, Monad, Applicative)
  54. 54. Extensible Effects まとめ
  55. 55. Extensible Effects まとめ Extensible Effects ‖ Free Monad + Open Union + 継続渡し形式(CPS)
  56. 56. Ext Eff の問題点
  57. 57. Ext Eff の問題点 • 合成に Functor が必要、fmap にコスト
  58. 58. Ext Eff の問題点 • 合成に Functor が必要、fmap にコスト • 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き
  59. 59. Ext Eff の問題点 • 合成に Functor が必要、fmap にコスト • 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き • 継続ベースで、ハンドラが書きづらい
  60. 60. Ext Eff の問題点 • 合成に Functor が必要、fmap にコスト • 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き • 継続ベースで、ハンドラが書きづらい • ライブラリ開発が面倒
  61. 61. Ext Eff の問題点 • 合成に Functor が必要、fmap にコスト • 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き • 継続ベースで、ハンドラが書きづらい • ライブラリ開発が面倒 • 技術的な問題:動的キャストの利用
  62. 62. Ext Eff の問題点 • 合成に Functor が必要、fmap にコスト • 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き • 継続ベースで、ハンドラが書きづらい • ライブラリ開発が面倒 • 技術的な問題:動的キャストの利用 • 実行時コストが嵩む
  63. 63. Ext Eff の問題点 • 合成に Functor が必要、fmap にコスト • 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き • 継続ベースで、ハンドラが書きづらい • ライブラリ開発が面倒 • 技術的な問題:動的キャストの利用 • 実行時コストが嵩む • 基底モナドに ST s などSkolem変数を含む型が使えない
  64. 64. Ext Eff の問題点 • 合成に Functor が必要、fmap にコスト • 自由モナドは効率が悪く、reflectionにも不向き • 継続ベースで、ハンドラが書きづらい • ライブラリ開発が面倒 • 技術的な問題:動的キャストの利用 • 実行時コストが嵩む • 基底モナドに ST s などSkolem変数を含む型が使えない ★ More Extensible Effects (提案手法)はこれらを解決
  65. 65. Freer Monads, 
 More Extensible Effects
  66. 66. Extensible Effects Extensible Effects ‖ Free Monad + Open Union + 継続渡し形式(CPS)
  67. 67. More
 Extensible Effects More Extensible Effects ‖ Freer Monad + Open Union + Type-aligned Sequence = Operational Monad
  68. 68. Freer Monad とは
  69. 69. Freer Monad とは • ??「Freer Monad は単項型の恒等函手に沿っ
    た左 Kan 拡張だよ。何か問題でも?」
  70. 70. Freer Monad とは • ??「Freer Monad は単項型の恒等函手に沿っ
    た左 Kan 拡張だよ。何か問題でも?」 ➡ 問題しかない(少なくとも私にとっては)
  71. 71. Freer Monad とは • ??「Freer Monad は単項型の恒等函手に沿っ
    た左 Kan 拡張だよ。何か問題でも?」 ➡ 問題しかない(少なくとも私にとっては) • これまでを踏まえた説明:
  72. 72. Freer Monad とは • ??「Freer Monad は単項型の恒等函手に沿っ
    た左 Kan 拡張だよ。何か問題でも?」 ➡ 問題しかない(少なくとも私にとっては) • これまでを踏まえた説明: • Freer Monad = 自由 Functor + 自由モナド
  73. 73. 自由 Functor と
 Freer Monad data FFree f a = ∀ b. FMap (b → a) (f b) instance Functor (FFree f) where fmap f (FMap g a) = FMap (f ◦ g) a type Freer f a = Free (FFree f) a
  74. 74. 自由 Functor と
 Freer Monad data FFree f a = ∀ b. FMap (b → a) (f b) instance Functor (FFree f) where fmap f (FMap g a) = FMap (f ◦ g) a type Freer f a = Free (FFree f) a fmap !
  75. 75. 自由 Functor と
 Freer Monad • 任意の単項型構築子 f ∷ ★ → ★ に対し、FFree f ∷ ★ → ★ は自動的にFunctor (= 自由Functor = Idに沿った左Kan拡張) data FFree f a = ∀ b. FMap (b → a) (f b) instance Functor (FFree f) where fmap f (FMap g a) = FMap (f ◦ g) a type Freer f a = Free (FFree f) a fmap !
  76. 76. 自由 Functor と
 Freer Monad • 任意の単項型構築子 f ∷ ★ → ★ に対し、FFree f ∷ ★ → ★ は自動的にFunctor (= 自由Functor = Idに沿った左Kan拡張) data FFree f a = ∀ b. FMap (b → a) (f b) instance Functor (FFree f) where fmap f (FMap g a) = FMap (f ◦ g) a type Freer f a = Free (FFree f) a ➡ FFree と Free で Functorを仮定せずにモナドが出来る
  77. 77. Freer の定義の導出
  78. 78. Freer の定義の導出 • Free と FFree の定義を展開する Freer f a = Free (FFree f) a ≃ Pure a | Impure (FFree f (Freer f a)) ≃ Pure a | ∀ b. Impure (f b) (b → Freer f a)
  79. 79. Freer の定義の導出 • Free と FFree の定義を展開する Freer f a = Free (FFree f) a ≃ Pure a | Impure (FFree f (Freer f a)) ≃ Pure a | ∀ b. Impure (f b) (b → Freer f a) • f を OpenUnionで置き換えれば: data Eff r a = Pure a | ∀ b. Impure (Union r b) (b → Eff r a)
  80. 80. Freer の定義の導出 • Free と FFree の定義を展開する Freer f a = Free (FFree f) a ≃ Pure a | Impure (FFree f (Freer f a)) ≃ Pure a | ∀ b. Impure (f b) (b → Freer f a) • f を OpenUnionで置き換えれば: data Eff r a = Pure a | ∀ b. Impure (Union r b) (b → Eff r a) return
  81. 81. Freer の定義の導出 • Free と FFree の定義を展開する Freer f a = Free (FFree f) a ≃ Pure a | Impure (FFree f (Freer f a)) ≃ Pure a | ∀ b. Impure (f b) (b → Freer f a) • f を OpenUnionで置き換えれば: data Eff r a = Pure a | ∀ b. Impure (Union r b) (b → Eff r a) return bind (>>=)!
  82. 82. インスタンス定義 • 継続を合成していけば良いだけの素直な実装 • Functor 不要!(fmap f a = (return . f) =<< a) data Eff r a = Pure a | ∀ b. Impure (Union r b) (b → Eff r a) instance Monad (Eff f) where return = Pure (Pure a) ≫= f = f a (Impure fa k) ≫= f = Impure fa (k >=> f)
  83. 83. ハンドラ実装用便利関数 • 古い ExtEff だとここまで使い易い型にならない • リレーしていくだけなのでこれらの実装も容易 • ループ内部状態ありの版や、効果を取り除かない版も可能 handle_relay ∷ (a → Eff r w) → (∀ v. t v → (v → Eff r w) → Eff r w) → Eff (t ': r) a → Eff r w handle_relay ret h m = ... send ∷ (t ∈ r) ⇒ t v → Eff r v send cmd = Impure (inj cmd) Pure return ! (>>=) !
  84. 84. 例:Ask, Tell 再訪 data Ask i a where Ask ∷ Ask i i data Tell i a where Tell ∷ i → Tell i () ask ∷ (Ask i ∈ r) ⇒ Eff r i ask = send Ask tell ∷ (Tell i ∈ r) ⇒ i → Eff r () tell = send ◦ Tell
  85. 85. 例:Ask, Tell 再訪 • プリミティヴな関数とほぼ同じ型のデータ構築子を用意 data Ask i a where Ask ∷ Ask i i data Tell i a where Tell ∷ i → Tell i () ask ∷ (Ask i ∈ r) ⇒ Eff r i ask = send Ask tell ∷ (Tell i ∈ r) ⇒ i → Eff r () tell = send ◦ Tell
  86. 86. 例:Ask, Tell 再訪 • プリミティヴな関数とほぼ同じ型のデータ構築子を用意 ➡ 旧来の ExtEff での定義に比べて非常に素直 data Ask i a where Ask ∷ Ask i i data Tell i a where Tell ∷ i → Tell i () ask ∷ (Ask i ∈ r) ⇒ Eff r i ask = send Ask tell ∷ (Tell i ∈ r) ⇒ i → Eff r () tell = send ◦ Tell
  87. 87. ハンドラの実装 • 実質 return と (>>=) を書くだけなので楽 runReader ∷ e → Eff (Ask e : r) a → Eff r a runReader e = handle_relay return (λ Ask arr → arr e) runIt :: [e] → Eff (Ask e : r) a → Eff r a runIt = handle_relay_s (λ _ a → return a) $ λ (x : xs) Ask arr → arr xs x runWriter ∷ Eff (Tell e : r) a → Eff r (a, [e]) runWriter = handle_relay (λa → return (a, [])) $ λ (Tell e) f → do { (a, es) ← f () ; return (a, e:es) }
  88. 88. More
 Extensible Effects More Extensible Effects ‖ Freer Monad + Open Union + Type-aligned Sequence = Operational Monad
  89. 89. More
 Extensible Effects More Extensible Effects ‖ Freer Monad + Open Union + Type-aligned Sequence
  90. 90. これまでの実装の欠点 • Eff モナドインスタンスの定義 instance Monad (Eff f) where return = Pure (Pure x) ≫= f = f x (Impure fa k) ≫= f = Impure fa (k >=> f)
  91. 91. これまでの実装の欠点 • Eff モナドインスタンスの定義 instance Monad (Eff f) where return = Pure (Pure x) ≫= f = f x (Impure fa k) ≫= f = Impure fa (k >=> f) • 継続が第二引数に左結合的に蓄積されていく
  92. 92. これまでの実装の欠点 • Eff モナドインスタンスの定義 instance Monad (Eff f) where return = Pure (Pure x) ≫= f = f x (Impure fa k) ≫= f = Impure fa (k >=> f) • 継続が第二引数に左結合的に蓄積されていく • ハンドラは命令列を頭から逐次実行する • 左結合だと、最初の数個だけが必要でも継続全体を走査する 必要がある!
  93. 93. これまでの実装の欠点 • Eff モナドインスタンスの定義 instance Monad (Eff f) where return = Pure (Pure x) ≫= f = f x (Impure fa k) ≫= f = Impure fa (k >=> f) • 継続が第二引数に左結合的に蓄積されていく • ハンドラは命令列を頭から逐次実行する • 左結合だと、最初の数個だけが必要でも継続全体を走査する 必要がある! ➡ 解決策:Type-aligned Sequence [PK14]
  94. 94. Type-aligned Sequence
  95. 95. Type-aligned Sequence • 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を 考えて必要になったら適宜評価していけばよい
  96. 96. Type-aligned Sequence • 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を 考えて必要になったら適宜評価していけばよい • 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack
  97. 97. Type-aligned Sequence • 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を 考えて必要になったら適宜評価していけばよい • 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack • 初出では Reflection w/o Remorse そのものを使っていた
  98. 98. Type-aligned Sequence • 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を 考えて必要になったら適宜評価していけばよい • 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack • 初出では Reflection w/o Remorse そのものを使っていた type FTCQ (m ∷ ★ → ★) a b tsingleton ∷ (a → m b) → FTCQ m a b (▹) ∷ FTCQ m a c → (c → m b) → FTCQ m a b (⋈) ∷ FTCQ m a c → FTCQ m c b → FTCQ m a b data ViewL m a b where TOne ∷ (a → m b) → ViewL m a b (:|) ∷ (a → m c) → (FTCQ m c b) → ViewL m a b tviewl ∷ FTCQ m a b → ViewL m a b
  99. 99. Type-aligned Sequence • 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を 考えて必要になったら適宜評価していけばよい • 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack • 初出では Reflection w/o Remorse そのものを使っていた type FTCQ (m ∷ ★ → ★) a b tsingleton ∷ (a → m b) → FTCQ m a b (▹) ∷ FTCQ m a c → (c → m b) → FTCQ m a b (⋈) ∷ FTCQ m a c → FTCQ m c b → FTCQ m a b data ViewL m a b where TOne ∷ (a → m b) → ViewL m a b (:|) ∷ (a → m c) → (FTCQ m c b) → ViewL m a b tviewl ∷ FTCQ m a b → ViewL m a b a → m b に対応
  100. 100. Type-aligned Sequence • 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を 考えて必要になったら適宜評価していけばよい • 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack • 初出では Reflection w/o Remorse そのものを使っていた type FTCQ (m ∷ ★ → ★) a b tsingleton ∷ (a → m b) → FTCQ m a b (▹) ∷ FTCQ m a c → (c → m b) → FTCQ m a b (⋈) ∷ FTCQ m a c → FTCQ m c b → FTCQ m a b data ViewL m a b where TOne ∷ (a → m b) → ViewL m a b (:|) ∷ (a → m c) → (FTCQ m c b) → ViewL m a b tviewl ∷ FTCQ m a b → ViewL m a b a → m b に対応 (>=>)
  101. 101. Type-aligned Sequence • 直感:関数を実際に合成する代わりに関数の列を 考えて必要になったら適宜評価していけばよい • 安価な snoc, cat, uncons を持つ二分木 + 型 Hack • 初出では Reflection w/o Remorse そのものを使っていた type FTCQ (m ∷ ★ → ★) a b tsingleton ∷ (a → m b) → FTCQ m a b (▹) ∷ FTCQ m a c → (c → m b) → FTCQ m a b (⋈) ∷ FTCQ m a c → FTCQ m c b → FTCQ m a b data ViewL m a b where TOne ∷ (a → m b) → ViewL m a b (:|) ∷ (a → m c) → (FTCQ m c b) → ViewL m a b tviewl ∷ FTCQ m a b → ViewL m a b a → m b に対応 (>=>) uncons
  102. 102. 最終結果 • Union と FTCQ の実装を改善していけば、効率 が劇的に改善する type Arrs r a b = FTCQ (Eff r) a b data Eff r a = Pure a | ∀ b. Impure (Union r b) (Arrs r b a) instance Monad (Eff r) where return = Pure (Pure a) ≫= f = f a (Impure fa k) ≫= f = Impure fa (k ▹ f) handle_relay ∷ ...
  103. 103. Example
  104. 104. Example : 例外処理
  105. 105. Example : 例外処理 • MTL が最も苦手とする物の一つ • 「階層を跨いだ処理」が効いてくる場面の一つ • (以下、わかりやすさのため Refl w/o Remorse 適用前のコード)
  106. 106. 例外作用の定義 data Exc e a = ThrowError e throwError ∷ Exc e ∈ r ⇒ e → Eff r a catchError ∷ ∀ e r a. Exc e ∈ r
 ⇒ Eff r a → (e → Eff r a) → Eff r a catchError act h = interpose return bind act where bind ∷ Exc e b → (b → Eff r a) → Eff r a bind (Exc e) _ = h e runError ∷ Eff (Exc e : r) a → Eff r (Either e a) runError = handle_relay (return ◦ Right) $ λ(ThrowError e) _ → return (Left e)
  107. 107. 例外作用の定義 data Exc e a = ThrowError e throwError ∷ Exc e ∈ r ⇒ e → Eff r a catchError ∷ ∀ e r a. Exc e ∈ r
 ⇒ Eff r a → (e → Eff r a) → Eff r a catchError act h = interpose return bind act where bind ∷ Exc e b → (b → Eff r a) → Eff r a bind (Exc e) _ = h e runError ∷ Eff (Exc e : r) a → Eff r (Either e a) runError = handle_relay (return ◦ Right) $ λ(ThrowError e) _ → return (Left e) • interpose: 作用を除去しないハンドラを書くためのもの
  108. 108. 例外作用の定義 data Exc e a = ThrowError e throwError ∷ Exc e ∈ r ⇒ e → Eff r a catchError ∷ ∀ e r a. Exc e ∈ r
 ⇒ Eff r a → (e → Eff r a) → Eff r a catchError act h = interpose return bind act where bind ∷ Exc e b → (b → Eff r a) → Eff r a bind (Exc e) _ = h e runError ∷ Eff (Exc e : r) a → Eff r (Either e a) runError = handle_relay (return ◦ Right) $ λ(ThrowError e) _ → return (Left e) • interpose: 作用を除去しないハンドラを書くためのもの • 例外があれば対処すれば良いだけなので素直で簡潔
  109. 109. トランザクション • 例外等で動作が中断した場合、継続は呼ばれない ➡ Pure で末端に達したら状態を大域的に反映すればよい transaction ∷ ∀ s r a. (State s) ∈ r ⇒ Proxy s → Eff r a → Eff r a transaction _ act = do s ← get; loop s act where loop ∷ s → Eff r a → Eff r a loop s (Pure a) = put s ≫ return a loop s (Impure (u ∷ Union r b) k) = case prj u ∷ Maybe (State s b) of Just Get → loop s $ k s Just (Put s') → loop s' $ k () Nothing → Impure u (loop s ◦ k)
  110. 110. 実行例 transTest = runLift $ flip runState True $ flip runState 'a' $ runError' (Proxy ∷ Proxy String) $ handled $ transaction (Proxy ∷ Proxy Bool) $ do modify (succ ∷ Char → Char) modify not throwError "interrupted!" where handled = flip catchError $ λ str → lift (putStrLn ("ignored: " ++ str)) ghci> transTest ignored: interrupted! ==> ((Right (), 'b'), True)
  111. 111. 実行例 transTest = runLift $ flip runState True $ flip runState 'a' $ runError' (Proxy ∷ Proxy String) $ handled $ transaction (Proxy ∷ Proxy Bool) $ do modify (succ ∷ Char → Char) modify not throwError "interrupted!" where handled = flip catchError $ λ str → lift (putStrLn ("ignored: " ++ str)) ghci> transTest ignored: interrupted! ==> ((Right (), 'b'), True) Bool の状態のみ
 トランザクションで保護
  112. 112. 実行例 transTest = runLift $ flip runState True $ flip runState 'a' $ runError' (Proxy ∷ Proxy String) $ handled $ transaction (Proxy ∷ Proxy Bool) $ do modify (succ ∷ Char → Char) modify not throwError "interrupted!" where handled = flip catchError $ λ str → lift (putStrLn ("ignored: " ++ str)) ghci> transTest ignored: interrupted! ==> ((Right (), 'b'), True) 保護されていたBool
 の変更は反映されない Bool の状態のみ
 トランザクションで保護
  113. 113. MTLでは? • 階層を跨げないので transaction に相当する関数は実装不能 • しかも合成順によって挙動が違う! • ExceptT が先頭なら全部コミット、そうでなきゃロールバック ghci> let handler = flip catchError $ λs → liftIO (putStrLn ("ignored: " ++ s)) ghci> runExceptT $ flip runStateT True $ handler $ (modify not ≫ throwError "hay") ignored: hay ==> Right ((),True) ghci> flip runStateT True $ runExceptT $ handler $ (modify not ≫ throwError "hay") ignored: hay ==> (Right (),False)
  114. 114. まとめ・その他 • (More) Extensible Effects では、階層を跨いだ ハンドラが実装出来る • MTL では実現不可能だった処理も実装可能 • I/Oエラーの捕捉や、Error モナドへのリレーも容易 • 原論文 [KI15] には論理モナドやリージョン計算 など、他の例もあり • More EE それ自体をモナド変換子として用いる 事も可能(基底モナド付き計算)
  115. 115. Benchmarks
  116. 116. Benchmarks • メイン:5の倍数を数える • その上下に余分な Reader 層 を足し計算を実行 • MTL、旧ExtEff、MoreEE と 競合手法の HIA [KSS13] を 比較 • 環境:Intel Core i7 2.8GHz, 16GB RAM, GHC 7.10.3.
 -threaded -O2 −rtsopts benchS ns = foldM f 1 ns where f acc x | x `mod` 5 == 0 = do s ← S.get S.put $! (s+1) return $! max acc x f acc x = return $! max acc x {-# NOINLINE benchS #-} NOINLINE を付けて大きな計算と見做す (GHC 7.8 までは付けなくてもMTLが 圧倒的に悪かった)
  117. 117. Readers under State 実行時間(sec) 0 1.25 2.5 3.75 5 0 1 2 3 4 MTL HIA Old ExtEff More ExtEff TotalAlloc(KBytes) 0 200 400 600 800 0 250 500 750 1000 Reader の数
  118. 118. TotalAlloc(Kbytes) 0 200 400 600 800 0 250 500 750 1000 Reader の数 Readers over State GHC 7.8 ではより O(n2) に近い勾配 実行時間(sec) 0 2.25 4.5 6.75 9 0 2 4 6 8 MTL HIA Old ExtEff More ExtEff
  119. 119. 補足と考察 • 旧 Ext Eff から大幅に改善 • Reader層を State 層に置き換えると、両方の場 合についてNOINLINE 付きでも MTL が線型速度 • 大きな計算の場合、時間・空間消費量ともに More Ext Eff が最適、競合手法とも互角 • INLINE が効く小さい計算、あるいは単純な State / Reader 計算は最適化が効いて MTL が勝つ • GHC の最適化機構の進化は凄まじい
  120. 120. Conclusions
  121. 121. Conclusions • More Extensible Effects は MTL の代替 ๏ 高効率 • 時間・空間計算量が、競合手法の中でもかなり効率的 • 多数の副作用を合成する際に威力を発揮 ๏ 柔軟で高い表現力 • 制約無しに副作用を合成可能 • 階層を跨いだ処理、複数の解釈を許容 ๏ No More Lifts!
  122. 122. 参考文献 [KI15] Kiselyov and ISHII, Freer Monads, More Extensible Effects. Haskell '15. [KLO13] Kammar, S. Lindley, and N. Oury, Handlers in action. ICFP '13. [KSS13] Kiselyov, Sabry and Swords, Extensible Effects: An Alternative to
 Monad Transformers. Haskell '13. [PK14] van der Ploeg and Kiselyov, Reflection without Remorse: Revealing a
 hidden sequence to speed up monadic reflection. Haskell '13.
  123. 123. Thank you!
  124. 124. Any Questions? • More Extensible Effects は MTL の代替 ๏ 高効率 • 時間・空間計算量が、競合手法の中でもかなり効率的 • 多数の副作用を合成する際に威力を発揮 ๏ 柔軟で高い表現力 • 制約無しに副作用を合成可能 • 階層を跨いだ処理、複数の解釈を許容 ๏ No More Lifts!

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