swizard (swizard) wrote,
swizard
swizard

Categories:

Трамплины и продолжения

Любопытно, конечно, что наибольшую популярность завоёвывают именно плохие с инженерной точки зрения технологии. Я не могу объяснить этот феномен: казалось бы, согласно эволюционной теории "более лучшие" вещи должны постепенно заменять эквивалентные по функционалу "более худшие", но этого не происходит. И даже не всегда проблема в том, что что-то сложнее, а что-то легче: обычно, в плохо продуманных технологиях сложность как раз выше, просто она "отложенная".

Давайте, например, посмотрим на такие платформы: Common Lisp/Scheme, Haskell или OCaml. А потом на такие: Java или Javascript. В чём разница? Правильно, в одних есть хвостовая рекурсия, в других нет :)

Ладно, на самом деле, большинству программистов наджави эта рекурсия нафиг не сдалась. Полагаю, что многие и не подозревают даже что это такое, и подобное неведение никак не мешает им вполне комфортно существовать на свете. Но оная проблема встаёт достаточно остро для пользователей более вменяемых языков, которые используют джаву или js в качестве бэкенд-платформы. Например, Clojure для jvm или Elm для javascript. Эти языки предполагают функциональную парадигму программирования, и отсутствие TCO при этом причиняет серьёзные неудобства.

Честно говоря, натолкнувшись на переполнение стека в Elm, я был несколько ошарашен. Ничто не предвещает беды, вокруг тепло и уютно: с одной стороны, у тебя почти хаскель, с другой тебе было обещано отсутствие рантайм-исключений (если ты не выходишь за рамки чистого elm). И тут херак, привет из js:

RangeError: Maximum call stack size exceeded

Я поначалу даже растерялся — к такому меня жизнь явно не готовила. Пришлось потратить некоторое количество времени, чтобы разобраться, как в таких случаях следует поступать: ведь никаких специальных технических средств для написания явных циклов руками в ельме нет. Он умеет оптимизировать только самые простые хвостовые вызовы, но любая чуть более сложная рекурсия сразу становится "честной". Поэтому пишу этот материал постфактум в качестве инструкции — мало ли кому ещё поможет.

Итак, давайте рассмотрим следующий синтетический пример:


isEven : Int -> Bool
isEven x =
    case abs x of
        0 -> True
        v -> isOdd <| v - 1


isOdd : Int -> Bool
isOdd x =
    case abs x of
        0 -> False
        v -> isEven <| v - 1


isSumEven : Int -> Int -> Bool
isSumEven a b =
    isEven a == isEven b


Я тут попытался смоделировать проблему: у нас есть две взаимно-рекурсивные функции (определяющие, чётное или нечётное число на входе) и одна утилитарная, которая их как-то использует (предсказывает, будет ли сумма двух чисел чётная).

Можно сразу посмотреть в репле, как они (не) работают:


> isEven 2
True : Bool
> isOdd 13
True : Bool
> isSumEven 100 1
False : Bool
> isEven 100000
RangeError: Maximum call stack size exceeded


Как их заставить работать, если платформа не поддерживает TCO? Никак, надо переписывать.

Общепринятая практика использовать в таких случаях технику, которая называется trampolining. Она широко используется, например, в Clojure. Идея там достаточно простая. Мы рефакторим функции, использующие рекурсию таким образом, чтобы:

  1. во всех местах, где производится рекурсивный вызов, вместо этого возвращалось наружу продолжение (достаточно просто обычного замыкания: thunk)
  2. на самом "верхнем" уровне выполняется обычный тупой цикл (trampoline), который последовательно вызывает отрефакторенную функцию до тех пор, пока она возвращает продолжения

Тем самым все функции перестают быть рекурсивными, и использование стека становится чётко детерминировано: из всех условных веток возвращаются либо результаты, либо замыкания (которые потом будут вызваны из трамплина).

В Elm, оказывается, есть даже микро-пакетик с трамплинами: elm-lang/trampoline. С его помощью можно переписать вышеприведённые взаимно-рекурсивные функции следующим образом:


import Trampoline exposing (Trampoline, done, jump, evaluate)


isEvenTr : Int -> Trampoline Bool
isEvenTr x =
    case abs x of
        0 -> done True
        v -> jump <| \() -> isOddTr <| v - 1


isOddTr : Int -> Trampoline Bool
isOddTr x =
    case abs x of
        0 -> done False
        v -> jump <| \() -> isEvenTr <| v - 1



В данном случае, всё получается достаточно прямолинейно: когда готов результат, возвращаем его через done, а когда нужно выполнить рекурсивный вызов, оборачиваем его в thunk и возвращаем через jump. Соответственно, в пакете trampoline лежит ещё функция evaluate, которая как раз крутит цикл, вызывая по-очереди все возвращаемые продолжения. Проверяем:


> evaluate <| isEvenTr 2
True : Bool
> evaluate <| isOddTr 13
True : Bool
> evaluate <| isOddTr 100000
False : Bool


Да, в этом варианте всё работает!

Кстати, небольшое отступление. Очевидно, что многим (включая меня) может не понравиться, как выглядит вот этот кусок кода:


jump <| \() -> isOddTr <| v - 1


Лично я его автоматически написал сначала так:


jump <| always <| isOddTr <| v - 1


За что был наказан потерянным часом на отладку. Кто может предположить, в чём кроется засада? :) Для справки: always.

Ладно, возвращаемся к примерам. Как написать трамплин-версию isSumEven? В принципе, можно как-то так:


isSumEvenTr : Int -> Int -> Trampoline Bool
isSumEvenTr a b =
    done <| (evaluate <| isEvenTr a) == (evaluate <| isEvenTr b)


Конкретно для этого синтетического примера, наверно, такой вариант особо ничем не плох. Но всё же: можно ли обойтись только одним evaluate? Очевидно, что можно, если получится каким-то образом "попасть внутрь" типа Trampoline a, чтобы достать значение a или, хотя бы, как-то его преобразовать. Но вот незадача: этот тип не является функтором или монадой, никаких соответствующих комбинаторов для него нет, да и вообще это всё страшные слова, и такой мерзости у нас в эльме не водится! Следовательно, единственный вариант — это честно интерпретировать Trampoline a через evaluate. Или нет?

На самом деле, есть способ "состыковать" несколько Trampoline-ов, чтобы выполнить их в одном цикле-эвалюаторе: опять же, CPS. Но для этого нам опять нужно отрефакторить функции, на этот раз в continuation passing style:


isEvenTrK : Int -> (Bool -> Trampoline Bool) -> Trampoline Bool
isEvenTrK x k =
    case abs x of
        0 -> k True
        v -> jump <| \() -> isOddTrK (v - 1) k


isOddTrK : Int -> (Bool -> Trampoline Bool) -> Trampoline Bool
isOddTrK x k =
    case abs x of
        0 -> k False
        v -> jump <| \() -> isEvenTrK (v - 1) k


isSumEvenTrK : Int -> Int -> (Bool -> Trampoline Bool) -> Trampoline Bool
isSumEvenTrK a b k =
    isEvenTrK a <|
        \resultA ->
            jump <| \() -> isEvenTrK b <|
                \resultB ->
                    k <| resultA == resultB



Главное изменение: функции теперь не возвращают результаты напрямую (логически, они уже ничего не должны возвращать), вместо этого они принимают дополнительные параметр: "продолжение", которому этот результат передаётся. Теперь в isEvenTrK появилась возможность состыковать две "затрамплиненные" функции внутри продолжения, при этом сохранив тип возвращаемого значения Trampoline Bool, который уже скармливается единственному evaluate:


> evaluate <| isSumEvenTrK 100000 1 done
False : Bool
> evaluate <| isSumEvenTrK 100000 100000 done
True : Bool


В принципе, этот трюк может пригодится, например, когда завёрнутым в трамплин типом является тот же Result — и надо уметь в процессе работы запускать разные ветки вычислений в зависимости от того, успешно ли отработал один из рекурсивных вызовов, или нет.

Ну, в целом, как-то так. Далее полагается, чтобы я написал какие-то выводы или подытоги, но какие тут могут быть выводы? Сложно, запутанно. Но это и есть та самая "отложенная сложность", про которую я говорил в начале поста. Был бы в вашем джаваскрипте изначально родной TCO, я бы не писал этот текст, а вместо этого сделал бы что-нибудь полезное.
Tags: continuation passing style, continuations, elm, haskell, lisp, tail recursion, tco, trampoline
Subscribe

  • Moscow Metal Meeting

    Посетил в субботу сабж. Торжественно заявляю, что у нас, походу, научились, наконец, организовывать мероприятия такого уровня. Ну, по крайней мере,…

  • твитора нет, так что извините

    Поучаствовал в конференции Прикладная лингвистика и искусственный интеллект 2012. Посетили Amon Amarth в милке. Открыл сегодня обратно мотосезон…

  • Орден полтоса

    Чёто полный бред в последнее время: вроде и дел не то, чтобы сильно много, и какого-то особенного завала на работе тоже нет, но чёто просто…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 35 comments

  • Moscow Metal Meeting

    Посетил в субботу сабж. Торжественно заявляю, что у нас, походу, научились, наконец, организовывать мероприятия такого уровня. Ну, по крайней мере,…

  • твитора нет, так что извините

    Поучаствовал в конференции Прикладная лингвистика и искусственный интеллект 2012. Посетили Amon Amarth в милке. Открыл сегодня обратно мотосезон…

  • Орден полтоса

    Чёто полный бред в последнее время: вроде и дел не то, чтобы сильно много, и какого-то особенного завала на работе тоже нет, но чёто просто…