使用 Monad Transformers 避免孤儿实例

Posted 2023-04-01

【中文标题】使用 Monad Transformers 避免孤儿实例

【英文标题】：Avoiding Orphan Instances with Monad Transformers

【发布时间】：2018-03-07 10:36:23

【问题描述】：

我有与我的应用程序的独立功能相对应的 monad 转换器。

在天气模块中：

class Monad m => WeatherT m where
  byCity :: String -> m WeatherData

newtype MockWeather m a = MockWeather  
  ... 
 deriving (Functor, Applicative, Monad, MonadTrans)


instance Monad m => WeatherT (MockWeather m) where
  ...

在计数器模块中：

class Monad m => CounterT m where
  increment :: m Int
  current :: m Int

newtype MockCounter m a = MockCounter 
  ...
 deriving (Functor, Applicative, Monad, MonadTrans)

instance Monad m => CounterT (MockCounter m) where
  ...

它们都可能有多个具有不同实现的实例，例如它们都有一个模拟实例，我在这里主要使用：MockCounter 和 MockWeather。

在主模块中，我将MyApp monad 定义为：

newtype MyAppM m a = MyAppM  unMyAppM :: MockCounter (MockWeather m) a 
  deriving (Functor, Applicative, Monad, CounterT, WeatherT)

这个定义要求我将(MockCounter (MockWeather m) 设为WeatherT 的一个实例：

instance Monad m => WeatherT (MockCounter (MockWeather m))

我在主模块中定义了这个实例，因为我不希望 Weather 和 Counter 模块相互依赖。

但是在主模块中定义这个实例使它成为一个孤立实例。

问题：

我在CounterT、WeatherT 和MyAppM 的轨道上是否正确？我想通过组合解耦和可模拟的功能来构建我的应用。 如何避免孤立实例？

Full code:

主模块

-# LANGUAGE FlexibleInstances          #-
-# LANGUAGE GeneralizedNewtypeDeriving #-

module Main where

import          Counter
import          Weather

newtype MyAppM m a = MyAppM  unMyAppM :: MockCounter (MockWeather m) a 
  deriving (Functor, Applicative, Monad, CounterT, WeatherT)

instance Monad m => WeatherT (MockCounter (MockWeather m))

runMyAppM :: Int -> MyAppM m a -> m (a, Int)
runMyAppM i = runMockWeather . (`runMockCounter` i) . unMyAppM

myApp :: (Monad m, CounterT m , WeatherT m) => m String
myApp = do
  _ <- increment
  (WeatherData weather) <- byCity "Amsterdam"
  return weather

-- Testing it:
main :: IO ()
main = runMyAppM 12 myApp >>= print

---

天气模块：

-# LANGUAGE DefaultSignatures          #-
-# LANGUAGE GADTs                      #-
-# LANGUAGE GeneralizedNewtypeDeriving #-

module Weather where

import           Control.Monad.Trans.Class
import           Control.Monad.Trans.Identity

newtype WeatherData = WeatherData String deriving (Show)

class Monad m => WeatherT m where
  byCity :: String -> m WeatherData

  default byCity :: (MonadTrans t, WeatherT m', m ~ t m') => String -> m WeatherData
  byCity = lift . byCity


newtype MockWeather m a = MockWeather 
  unMockWeather :: IdentityT m a
 deriving (Functor, Applicative, Monad, MonadTrans)

runMockWeather :: MockWeather f a -> f a
runMockWeather = runIdentityT . unMockWeather

instance Monad m => WeatherT (MockWeather m) where
   byCity city = MockWeather $ return $ WeatherData $ "It is sunny in " ++ city

---

计数器模块：

-# LANGUAGE DefaultSignatures          #-
-# LANGUAGE GADTs                      #-
-# LANGUAGE GeneralizedNewtypeDeriving #-

module Counter where

import           Control.Monad.Identity
import           Control.Monad.State
import           Control.Monad.Trans.Class

class Monad m => CounterT m where
  increment :: m Int
  current :: m Int

  default increment :: (MonadTrans t, CounterT m', m ~ t m') => m Int
  increment = lift increment

  default current :: (MonadTrans t, CounterT m', m ~ t m') => m Int
  current = lift current


newtype MockCounter m a = MockCounter 
  unMockCounter :: StateT Int m a
 deriving (Functor, Applicative, Monad, MonadTrans, MonadState Int)

defaultMockCounter :: MockCounter Identity ()
defaultMockCounter = MockCounter $ put 0

runMockCounter :: MockCounter m a -> Int -> m (a, Int)
runMockCounter = runStateT . unMockCounter

instance Monad m => CounterT (MockCounter m) where
  increment = MockCounter $ do
    c <- get
    let n = c + 1
    put n
    return n

  current = MockCounter get

【参考方案1】：

你需要一个 WeatherT m => WeatherT (MockCounter m) 实例，它通过 MockCounter m 提升 WeatherT m 实例，这要归功于 MockCounter 是一个单子转换器。 （您编写的默认方法的重点是定义此类实例。）

为避免孤立实例，一种方法是将Weather 和Counter 分别分离到Class 和Trans 模块中。 Class 不需要相互依赖，而每个 Trans 模块可能依赖于所有 Class 模块（反过来也是可能的，实际上 mtl 是如何做到的，但是 IMO Trans 取决于 Class 更好：Class 定义接口，Trans 实现）。

这确实是一个（已知的）问题，因为如果您有n 转换器和m 类，您可能需要n*m 提升实例。一种解决方案是为所有转换器(MonadTrans t, WeatherT m) => WeatherT (t m) 定义一个多态可重叠实例。重叠的实例通常不受欢迎，但我不确定这种情况下存在哪些实际问题。

顺便说一句，按照 mtl 和 transformers 的命名约定，我们将拥有 MonadWeather 和 MonadCounter 类，以及 WeatherT 和 CounterT 类型（monad Transformers）。

【讨论】：

重叠实例是我最不喜欢的语言扩展。我承认他们的问题可能不会在测试模型的上下文中产生影响。一个问题是，如果您从不编写实例，则特别容易忘记覆盖实例中的默认值。这可能导致人们错误地使用无意义的实例。存在主义和使用 Data.Constraint.Forall 之类的东西也可能会出现并发症。