Apa itu monad gratis?


368

Saya telah melihat istilah Free Monad muncul setiap sekarang dan kemudian untuk beberapa waktu, tetapi semua orang sepertinya menggunakan / mendiskusikannya tanpa memberikan penjelasan tentang apa itu mereka. Jadi: apa itu monad gratis? (Saya akan mengatakan saya akrab dengan monad dan dasar-dasar Haskell, tetapi hanya memiliki pengetahuan yang sangat kasar tentang teori kategori.)


12
Penjelasan yang cukup bagus ada di sini haskellforall.com/2012/06/...
Roger Lindsjö

19
@Roger itulah jenis halaman yang membawaku ke sini. Bagi saya, contoh itu mendefinisikan instance monad untuk jenis bernama "Gratis" dan hanya itu.
David

Jawaban:


295

Jawaban Edward Kmett jelas luar biasa. Tapi, ini agak teknis. Berikut ini penjelasan yang mungkin lebih mudah diakses.

Monad gratis hanyalah cara umum untuk mengubah functors menjadi monad. Artinya, mengingat functor f Free fadalah monad. Ini tidak akan sangat berguna, kecuali Anda mendapatkan sepasang fungsi

liftFree :: Functor f => f a -> Free f a
foldFree :: Functor f => (f r -> r) -> Free f r -> r

yang pertama memungkinkan Anda "memasuki" monad Anda, dan yang kedua memberi Anda cara untuk "keluar" darinya.

Lebih umum, jika X adalah Y dengan beberapa hal tambahan P, maka "X gratis" adalah cara untuk mendapatkan dari Y ke X tanpa mendapatkan tambahan apa pun.

Contoh: monoid (X) adalah himpunan (Y) dengan struktur ekstra (P) yang pada dasarnya mengatakan ia memiliki operasi (Anda dapat memikirkan penambahan) dan beberapa identitas (seperti nol).

Begitu

class Monoid m where
   mempty  :: m
   mappend :: m -> m -> m

Sekarang, kita semua tahu daftar

data [a] = [] | a : [a]

Nah, mengingat jenis apa pun yang tkita tahu itu [t]adalah monoid

instance Monoid [t] where
  mempty   = []
  mappend = (++)

dan daftar adalah "monoid gratis" atas set (atau dalam tipe Haskell).

Oke, jadi monad gratis adalah ide yang sama. Kami mengambil functor, dan mengembalikan monad. Bahkan, karena monad dapat dilihat sebagai monoids dalam kategori endofunctors, definisi daftar

data [a] = [] | a : [a]

terlihat sangat mirip dengan definisi monads gratis

data Free f a = Pure a | Roll (f (Free f a))

dan Monadinstance memiliki kesamaan dengan Monoidinstance untuk daftar

--it needs to be a functor
instance Functor f => Functor (Free f) where
  fmap f (Pure a) = Pure (f a)
  fmap f (Roll x) = Roll (fmap (fmap f) x)

--this is the same thing as (++) basically
concatFree :: Functor f => Free f (Free f a) -> Free f a
concatFree (Pure x) = x
concatFree (Roll y) = Roll (fmap concatFree y)

instance Functor f => Monad (Free f) where
  return = Pure -- just like []
  x >>= f = concatFree (fmap f x)  --this is the standard concatMap definition of bind

sekarang, kami mendapatkan dua operasi kami

-- this is essentially the same as \x -> [x]
liftFree :: Functor f => f a -> Free f a
liftFree x = Roll (fmap Pure x)

-- this is essentially the same as folding a list
foldFree :: Functor f => (f r -> r) -> Free f r -> r
foldFree _ (Pure a) = a
foldFree f (Roll x) = f (fmap (foldFree f) x)

12
Ini mungkin penjelasan terbaik yang bisa didekati dari "bebas" yang pernah saya lihat. Terutama paragraf yang dimulai dengan "Lebih umum."
John L

16
Saya pikir itu menarik untuk melihat Free f a = Pure a | Roll (f (Free f a))sebagai Free f a = a + fa + ffa + ..., yaitu "f diterapkan pada sejumlah kali". Kemudian concatFree(yaitu join) mengambil "f diterapkan beberapa kali ke (f diterapkan beberapa kali ke a)" dan mengurangkan dua aplikasi yang bersarang menjadi satu. Dan >>=mengambil "f diterapkan beberapa kali ke" dan "bagaimana untuk pergi dari a ke (b dengan f diterapkan beberapa kali)", dan pada dasarnya menerapkan yang terakhir ke a di dalam yang pertama dan meruntuhkan sarang. Sekarang saya sendiri mengerti!
jkff

1
adalah concatFreepada dasarnya join?
rgrinberg

11
“Ini mungkin penjelasan yang lebih mudah diakses. [...] Faktanya, karena monad dapat dilihat sebagai monoids dalam kategori endo functors, ... ”Namun demikian, saya pikir ini adalah jawaban yang sangat bagus.
Merusak

2
"monads dapat dilihat sebagai monoids dalam kategori fungsi endo" <3 (Anda harus menautkan ke stackoverflow.com/a/3870310/1306877 karena setiap haskeller harus tahu tentang referensi itu!)
tlo

418

Inilah jawaban yang bahkan lebih sederhana: Monad adalah sesuatu yang "menghitung" ketika konteks monadik dihancurkan oleh join :: m (m a) -> m a(mengingat yang >>=dapat didefinisikan sebagai x >>= y = join (fmap y x)). Ini adalah cara Monads membawa konteks melalui rantai perhitungan berurutan: karena pada setiap titik dalam rangkaian, konteks dari panggilan sebelumnya dihancurkan dengan yang berikutnya.

Sebuah monad bebas memenuhi semua hukum Monad, tetapi tidak melakukan runtuh (yaitu, perhitungan). Itu hanya membangun serangkaian konteks bersarang. Pengguna yang menciptakan nilai monadik bebas bertanggung jawab untuk melakukan sesuatu dengan konteks bersarang tersebut, sehingga makna komposisi tersebut dapat ditangguhkan hingga setelah nilai monadik dibuat.


8
Paragraf Anda membuat tambahan yang sangat bagus untuk posting Philip.
David

20
Saya sangat suka jawaban ini.
danidiaz

5
Bisakah monad gratis menggantikan kelas tipe Monad? Yaitu, bisakah saya menulis sebuah program dengan hanya menggunakan pengembalian dan pengikatan monad gratis, dan kemudian bergabung dengan hasil menggunakan mana saja yang saya sukai dari Mwybe atau Daftar atau apa pun, atau bahkan menghasilkan beberapa pandangan monadik dari satu urutan pemanggilan fungsi yang diikat / diikat. Mengabaikan bagian bawah dan nonterminasi, yaitu.
misterbee

2
Jawaban ini membantu, tetapi saya pikir itu akan membingungkan saya jika saya tidak bertemu 'bergabung' di kursus NICTA dan membaca haskellforall.com/2012/06/… . Jadi bagi saya, trik untuk memahami adalah membaca banyak jawaban sampai meresap. (Referensi NICTA: github.com/NICTA/course/blob/master/src/Course/Bind.hs )
Martin Capodici

1
jawaban ini terbaik
Curycu

142

Foo bebas merupakan hal paling sederhana yang memenuhi semua hukum 'foo'. Dengan kata lain itu memenuhi hukum yang diperlukan untuk menjadi foo dan tidak ada yang ekstra.

Functor pelupa adalah salah satu yang "lupa" bagian dari struktur saat berjalan dari satu kategori ke yang lain.

Fungsi yang diberikan F : D -> C, dan G : C -> D, kita katakan F -| G, Fdibiarkan bersebelahan dengan G, atau berbelok ke Gkanan Fsetiap kali, a: b F a -> badalah isomorfik a -> G b, di mana panah berasal dari kategori yang sesuai.

Secara formal, functor gratis dibiarkan berdekatan dengan functor yang pelupa.

Monoid Gratis

Mari kita mulai dengan contoh sederhana, monoid gratis.

Ambil monoid, yang didefinisikan oleh beberapa operator set T, fungsi biner untuk mash sepasang elemen bersama-sama f :: T → T → T, dan unit :: T, seperti bahwa Anda memiliki hukum asosiatif, dan hukum identitas: f(unit,x) = x = f(x,unit).

Anda dapat membuat functor Udari kategori monoids (di mana panah adalah homomorfisma monoid, yaitu, mereka memastikan mereka memetakan unitke unitmonoid lain, dan bahwa Anda dapat menyusun sebelum atau setelah pemetaan ke monoid lain tanpa mengubah makna) ke kategori set (di mana panah hanya panah fungsi) yang 'lupa' tentang operasi dan unit, dan hanya memberi Anda set operator.

Kemudian, Anda dapat mendefinisikan functor Fdari kategori set kembali ke kategori monoids yang dibiarkan bersebelahan dengan functor ini. Functor itu adalah functor yang memetakan set ake monoid [a], di mana unit = [], dan mappend = (++).

Jadi untuk meninjau contoh kita sejauh ini, di pseudo-Haskell:

U : Mon  Set -- is our forgetful functor
U (a,mappend,mempty) = a

F : Set  Mon -- is our free functor
F a = ([a],(++),[])

Kemudian untuk menunjukkan Fitu gratis, kita perlu menunjukkan bahwa itu dibiarkan bersebelahan dengan U, sebuah fungsi yang pelupa, yaitu, seperti yang kita sebutkan di atas, kita perlu menunjukkan bahwa

F a → b isomorfik untuk a → U b

sekarang, ingat bahwa target Fberada dalam kategori Monmonoids, di mana panah adalah homomorfisma monoid, jadi kita perlu untuk menunjukkan bahwa homomorfisma monoid [a] → bdapat digambarkan secara tepat dengan fungsi dari a → b.

Dalam Haskell, kita menyebut sisi dari ini yang hidup dalam Set(eh,, Haskkategori tipe Haskell yang kita pura-pura adalah Set), adil foldMap, yang ketika dikhususkan Data.Foldableuntuk dari memiliki tipe Monoid m => (a → m) → [a] → m.

Ada konsekuensi yang mengikuti dari ini menjadi tambahan. Khususnya jika Anda lupa maka membangun dengan gratis, lalu lupakan lagi, sama seperti Anda lupa sekali, dan kita bisa menggunakan ini untuk membangun monadik bergabung. sejak UFUF~ U(FUF)~ UF, dan kita bisa lulus dalam homomorfisma identitas monoid dari [a]ke [a]melalui isomorfisma yang mendefinisikan adjunction kami, mendapatkan bahwa daftar isomorfisma dari [a] → [a]adalah fungsi dari jenis a -> [a], dan ini hanya kembali untuk daftar.

Anda dapat menyusun semua ini lebih langsung dengan menggambarkan daftar dalam istilah ini dengan:

newtype List a = List (forall b. Monoid b => (a -> b) -> b)

Monad Gratis

Jadi, apa itu Monad Gratis ?

Ya, kami melakukan hal yang sama dengan yang kami lakukan sebelumnya, kami mulai dengan functor U yang pelupa dari kategori monad di mana panah adalah homomorfisma monad ke kategori endofunctor di mana panah adalah transformasi alami, dan kami mencari functor yang dibiarkan berdekatan untuk itu.

Jadi, bagaimana ini berhubungan dengan gagasan tentang monad gratis seperti yang biasanya digunakan?

Mengetahui bahwa sesuatu adalah monad bebas Free f,, memberitahu Anda bahwa memberi homomorfisme monad dari Free f -> m, adalah hal yang sama (isomorfik ke) dengan memberikan transformasi alami (homomorfisme functor) dari f -> m. Ingat F a -> bharus isomorfik agar a -> U bF dibiarkan bersebelahan dengan U. U di sini memetakan monad ke functors.

F setidaknya isomorfis dengan Freetipe yang saya gunakan dalam freepaket saya tentang peretasan.

Kita juga dapat membangunnya dalam analogi yang lebih ketat dengan kode di atas untuk daftar gratis, dengan mendefinisikan

class Algebra f x where
  phi :: f x -> x

newtype Free f a = Free (forall x. Algebra f x => (a -> x) -> x)

Cofree Comonads

Kita dapat membangun sesuatu yang serupa, dengan melihat adjoint yang tepat ke functor yang pelupa dengan asumsi itu ada. Sebuah functor cofree hanyalah adjoin kanan / ke functor pelupa, dan dengan simetri, mengetahui sesuatu adalah comofad cofree sama dengan mengetahui bahwa memberikan homomorfisme comonad dari w -> Cofree fadalah hal yang sama seperti memberikan transformasi alami dari w -> f.


12
@PauloScardine, ini tidak Anda harus harus khawatir tentang. Pertanyaan saya datang dari minat untuk memahami beberapa struktur data tingkat lanjut dan mungkin mendapatkan sekilas tentang apa yang mutakhir dalam pengembangan Haskell sekarang - itu sama sekali tidak diperlukan atau mewakili apa yang sebenarnya menulis tentang Haskell sejauh ini. (Dan segera, akan lebih baik setelah Anda melewati tahap belajar IO lagi)
David

8
@PauloScardine Anda tidak perlu jawaban di atas untuk memprogram secara produktif di Haskell, bahkan dengan monad gratis. Sebenarnya, saya tidak akan merekomendasikan menyerang monad gratis dengan cara ini kepada seseorang yang tidak memiliki latar belakang teori kategori. Ada banyak cara untuk membicarakannya dari perspektif operasional dan grok cara menggunakannya tanpa menyelam ke dalam teori kategori. Namun, tidak mungkin bagi saya untuk menjawab pertanyaan tentang dari mana mereka datang tanpa menyelam ke dalam teori. Konstruksi gratis adalah alat yang ampuh dalam teori kategori, tetapi Anda tidak perlu latar belakang ini untuk menggunakannya.
Edward KMETT

18
@PauloScardine: Anda sama sekali tidak perlu kalkulus untuk memanfaatkan Haskell secara efektif dan bahkan memahami apa yang Anda lakukan. Agak aneh mengeluh bahwa "bahasa ini matematika" ketika matematika itu hanya kebaikan tambahan yang bisa Anda gunakan untuk bersenang-senang dan untung. Anda tidak mendapatkan hal-hal ini dalam bahasa yang paling penting. Mengapa Anda mengeluh tentang tambahan? Anda bisa memilih TIDAK untuk bernalar secara matematis, dan mendekatinya seperti Anda menggunakan bahasa baru lainnya.
Sarah

3
@ Sarah: Saya belum melihat dokumentasi atau percakapan IRC tentang haskell yang tidak berat pada teori komputer dan kalkulus lambda therms.
Paulo Scardine

11
@PauloScardine ini melayang sedikit OT, tetapi dalam pertahanan Haskell: hal-hal teknis yang serupa berlaku untuk semua bahasa pemrograman lain, hanya saja Haskell memiliki kompilasi yang bagus sehingga orang benar-benar dapat menikmati berbicara tentang mereka. Mengapa / bagaimana X adalah monad menarik bagi banyak orang, diskusi tentang standar titik mengambang IEEE tidak; kedua kasus tidak penting bagi kebanyakan orang, karena mereka hanya dapat menggunakan hasilnya.
David

72

Free Monad (struktur data) adalah untuk Monad (kelas) seperti Daftar (struktur data) ke Monoid (kelas): Ini adalah implementasi sepele, di mana Anda dapat memutuskan setelahnya bagaimana konten akan digabungkan.


Anda mungkin tahu apa itu Monad dan bahwa masing-masing Monad membutuhkan implementasi ( fmap+ -tang hukum Monad) khusus untuk + join+ returnatau bind+ return.

Mari kita asumsikan Anda memiliki Functor (implementasi dari fmap) tetapi sisanya tergantung pada nilai dan pilihan yang dibuat saat run-time, yang berarti bahwa Anda ingin dapat menggunakan properti Monad tetapi ingin memilih fungsi Monad sesudahnya.

Itu dapat dilakukan dengan menggunakan Free Monad (struktur data), yang membungkus Functor (tipe) sedemikian rupa sehingga joinlebih merupakan susunan fungsi-fungsi tersebut daripada pengurangan.

Yang asli returndan joinyang ingin Anda gunakan, sekarang dapat diberikan sebagai parameter ke fungsi reduksi foldFree:

foldFree :: Functor f => (a -> b) -> (f b -> b) -> Free f a -> b
foldFree return join :: Monad m => Free m a -> m a

Untuk menjelaskan jenisnya, kita dapat mengganti Functor fdengan Monad mdan bdengan (m a):

foldFree :: Monad m => (a -> (m a)) -> (m (m a) -> (m a)) -> Free m a -> (m a)

8
Jawaban ini memberi saya kesan bahwa saya mengerti apa yang mungkin berguna bagi mereka.
David

59

Monad gratis Haskell adalah daftar functors. Membandingkan:

data List a   = Nil    | Cons  a (List a  )

data Free f r = Pure r | Free (f (Free f r))

Pureanalog dengan Nildan Freeanalog dengan Cons. Monad gratis menyimpan daftar fungsi alih-alih daftar nilai. Secara teknis, Anda bisa mengimplementasikan monad gratis menggunakan tipe data yang berbeda, tetapi implementasi apa pun harus isomorfis dengan yang di atas.

Anda menggunakan monad gratis setiap kali Anda membutuhkan pohon sintaksis abstrak. Functor dasar dari monad gratis adalah bentuk setiap langkah dari pohon sintaks.

Pos saya , yang sudah ditautkan oleh seseorang, memberikan beberapa contoh cara membangun pohon sintaksis abstrak dengan monad gratis


6
Saya tahu Anda hanya menggambar analogi daripada membuat definisi, tetapi monad gratis tentu tidak analog dengan daftar functors dalam arti apa pun. Itu jauh lebih dekat ke pohon functors.
Tom Ellis

6
Saya mendukung terminologi saya. Misalnya, menggunakan paket inti-indeks saya, Anda dapat mendefinisikan "pemahaman monad gratis", yang berperilaku seperti daftar monad, kecuali bahwa Anda mengikat functors alih-alih nilai. Monad gratis adalah daftar functors dalam arti bahwa jika Anda menerjemahkan semua konsep Haskell naik kategori functors, maka daftar menjadi monad gratis. Pohon yang benar dari functors kemudian menjadi sesuatu yang sama sekali berbeda.
Gabriel Gonzalez

4
Anda benar bahwa monad adalah kategorisasi, dalam arti tertentu, dari konsep monoid, sehingga monad bebas dianalogikan dengan monoids bebas, yaitu daftar. Sejauh itu Anda tentu benar. Namun struktur nilai monad gratis bukan daftar. Ini adalah pohon, seperti yang saya jelaskan di bawah .
Tom Ellis

2
@ TomEllis Secara teknis, itu hanya pohon jika functor dasar Anda adalah functor produk. Ketika Anda memiliki jumlah functor sebagai functor dasar itu lebih mirip mesin stack.
Gabriel Gonzalez

21

Saya pikir contoh nyata yang sederhana akan membantu. Misalkan kita memiliki functor

data F a = One a | Two a a | Two' a a | Three Int a a a

dengan jelas fmap. Maka Free F aadalah jenis pohon yang daunnya memiliki jenis adan yang node ditandai dengan One, Two, Two'dan Three. One-node memiliki satu anak, Two- dan Two'-nodes memiliki dua anak dan Three-nodes memiliki tiga anak dan juga ditandai dengan Int.

Free Fadalah monad. returnpeta xke pohon yang hanya daun dengan nilai x. t >>= fmelihat masing-masing daun dan menggantinya dengan pohon. Ketika daun memiliki nilai yitu menggantikan daun itu dengan pohon f y.

Diagram membuat ini lebih jelas, tetapi saya tidak memiliki fasilitas untuk menggambarnya dengan mudah!


14
Apa yang kalian katakan adalah bahwa monad gratis mengambil bentuk functor itu sendiri. Jadi jika functor adalah seperti pohon (produk), monad bebas seperti pohon; jika seperti daftar (jumlah), monad gratis seperti daftar; jika itu seperti fungsi, monad bebas seperti fungsi; dll. Ini masuk akal bagi saya. Jadi seperti di monoid gratis, Anda terus memperlakukan setiap aplikasi mappend sebagai menciptakan elemen yang sama sekali baru; di monad gratis, Anda memperlakukan setiap aplikasi functor sebagai elemen yang sama sekali baru.
Bartosz Milewski

4
Bahkan jika functor adalah "sum functor", monad gratis yang dihasilkan masih seperti pohon. Anda berakhir dengan lebih dari satu jenis simpul di pohon Anda: satu untuk setiap komponen jumlah Anda. Jika "jumlah functor" Anda adalah X -> 1 + X maka memang Anda mendapatkan daftar, yang hanya semacam pohon degenerasi.
Tom Ellis
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.