エフェクトとハンドラ
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Flix は、Eff や Koka のスタイルで、代数エフェクト(algebraic effects)とハンドラ(handlers)をサポートしています。
Flix のエフェクトハンドラは、動的スコープ(dynamic scope)、ディープハンドラ(deep handlers)を用い、複数回の再開(multiple resumptions)をサポートしています。
このセクションではエフェクトとハンドラを紹介しますが、あわせて次の資料にも目を通すことをおすすめします。
- An Introduction to Algebraic Effects and Handlers — Matija Pretnar
まずは、ほとんどのプログラマになじみのある種類のエフェクト、すなわち 例外(exceptions) から始めましょう。
再開不可能なエフェクト: 例外
エフェクトとハンドラを使って例外を実装できます。たとえば次のようになります。
eff DivByZero {
def divByZero(): Void
}
def divide(x: Int32, y: Int32): Int32 \ DivByZero =
if (y == 0) {
DivByZero.divByZero()
} else {
x / y
}
def main(): Unit \ IO =
run {
println(divide(3, 2));
println(divide(3, 0))
} with handler DivByZero {
def divByZero(_resume) = println("Oops: Division by Zero!")
}
ここでは DivByZero エフェクトを宣言し、divide 関数の中でそれを使っています。そのため divide 関数は DivByZero エフェクトを持ちます。main では2つの除算を行います。1つ目は成功して 1 を出力します。2つ目は失敗してエラーメッセージを出力します。継続(continuation)である _resume は使われておらず、その引数の型が Void であるため使うこともできません。main 関数はハンドラの中で println を使っているため IO エフェクトを持ちますが、DivByZero エフェクトは処理済みであるため、それは持ち ません。
例外が再開不可能(non-resumable)であるのは、いったん例外が送出されると、例外が投げられた場所から実行を再開できないからです。できるのは、例外を処理して別のことを行うことだけです。DivByZero が例外であると分かるのは、そのエフェクト操作が Void の戻り値型を持つからです。
注意:
Void型は、Flix に組み込まれた空の型、すなわち値を持たない(uninhabited)型です。戻り値型がVoidの関数は正常に返ることができず、異常な形で（たとえば例外を投げることで）のみ返ります。同様に、Void型の引数を取る関数は呼び出すことができません。
Flix はエフェクト多相(effect polymorphism)をサポートしていることを思い出してください。そのため、次のコードは問題なく動作します。
def main(): Unit \ IO =
let l = List#{1, 2, 0, 3};
run {
List.map(x -> println(divide(42, x)), l);
()
} with handler DivByZero {
def divByZero(_) = println("Oops: Division by Zero!")
}
このプログラムは次を出力します。
42
21
Oops: Division by Zero!
これは、divide の最初の2回の呼び出しは成功する一方で、最後の呼び出しが DivByZero 例外を送出するからです。特筆すべきは、Flix の型およびエフェクトシステムが、List.map へのエフェクト多相な呼び出しを通じて例外エフェクトを追跡できるという点です。
再開可能なエフェクト
Flix は再開可能(resumable)なエフェクトもサポートしています。たとえば次のようになります。
import java.time.LocalDateTime
eff HourOfDay {
def getCurrentHour(): Int32
}
def greeting(): String \ {HourOfDay} =
let h = HourOfDay.getCurrentHour();
if (h <= 12)
"Good morning"
else if (h <= 18)
"Good afternoon"
else
"Good evening"
def main(): Unit \ IO =
run {
println(greeting())
} with handler HourOfDay {
def getCurrentHour(_, resume) =
let dt = LocalDateTime.now();
resume(dt.getHour())
}
ここでは、その日の現在の時刻を返す1つの操作を持つエフェクト HourOfDay を宣言しています。次に、HourOfDay エフェクトを使って現在時刻に応じた挨拶を返す greeting 関数を定義します。最後に main で greeting を呼び出し、その結果を出力します。特に、HourOfDay のハンドラは Java 相互運用を使って現在の時刻を取得しています。
重要なのは、エフェクト getHourOfDay が呼び出されると、Flix が現在の継続をキャプチャし、（main にある）もっとも近いハンドラを見つけ、そのハンドラがシステムクロックから取得したその日の現在時刻を使って greeting の内部から計算を 再開(resume) するという点です。
複数のエフェクトとハンドラ
複数のエフェクトを使う関数を書くことができます。
eff Ask {
def ask(): String
}
eff Say {
def say(s: String): Unit
}
def greeting(): Unit \ {Ask, Say} =
let name = Ask.ask();
Say.say("Hello Mr. ${name}")
def main(): Unit \ IO =
run {
greeting()
} with handler Ask {
def ask(_, resume) = resume("Bond, James Bond")
} with handler Say {
def say(s, resume) = { println(s); resume() }
}
ここでは Ask と Say という2つのエフェクトを宣言しています。Ask エフェクトは消費者(consumer)です。すなわち、環境から文字列を必要とします。Say エフェクトは生産者(producer)です。すなわち、環境へ文字列を渡します。greeting ではこの両方のエフェクトを使っています。main では greeting を呼び出し、それぞれのエフェクトを処理します。Ask エフェクトは、常に文字列 "Bond, James Bond" で継続を再開することによって処理します。Say エフェクトは、コンソールに出力してから継続を再開することによって処理します。
複数回の再開
Flix は、複数回の再開を伴う代数エフェクトをサポートしています。このようなエフェクトを使うと、async/await、バックトラッキング探索、協調的マルチタスクなどを実装できます。
次は簡単な例です。
eff Amb {
def flip(): Bool
}
eff Exc {
def raise(m: String): Void
}
def drunkFlip(): String \ {Amb, Exc} = {
if (Amb.flip()) {
let heads = Amb.flip();
if (heads) "heads" else "tails"
} else {
Exc.raise("too drunk to flip")
}
}
def handleAmb(f: a -> b \ ef): a -> List[b] \ ef - Amb =
x -> run {
f(x) :: Nil
} with handler Amb {
def flip(_, resume) = resume(true) ::: resume(false)
}
def handleExc(f: a -> b \ ef): a -> Option[b] \ ef - Exc =
x -> run {
Some(f(x))
} with handler Exc {
def raise(_, _) = None
}
def main(): Unit \ IO = {
// 出力: Some(heads) :: Some(tails) :: None :: Nil
handleAmb(handleExc(drunkFlip))() |> println;
// 出力: None
handleExc(handleAmb(drunkFlip))() |> println
}
ここでは Amb（ambiguous の略）と Exc（exception の略）という2つのエフェクトを宣言しています。次に drunkFlip 関数を定義します。これは、コインを投げようとする酔っ払いをモデル化するというアイデアです。第1に、その男がコインを投げられるか、それとも落としてしまうかを決めるためにコインを投げます。第2に、コイン投げが成功した場合、表(heads)か裏(tails)かを得るためにもう一度コインを投げます。重要なのは、drunkFlip が概念的に「heads」「tails」「too drunk」という3つの結果を持つという点です。
次に、handleAmb と handleExc という2つのエフェクトハンドラを定義します。後者から見ていくと、Exc ハンドラは例外を捕捉して None を返します。例外が送出されなければ、計算された値の Some(x) を返します。Amb ハンドラは、true と false で継続を 2回 呼び出し、その結果をリストに収集することで flip エフェクトを処理します。言い換えると、Amb ハンドラはコイン投げの 両方 の結果を探索します。
main ではこの2つのエフェクトハンドラを使います。特筆すべきは、ハンドラのネストの順序が重要である という点です！ Exc エフェクトを先に処理すると、リスト Some(heads) :: Some(tails) :: None :: Nil が得られます。一方、Exc を最後に処理すると、計算全体が None で失敗します。
代数エフェクトとモナド
Flix は、代数エフェクトハンドラとモナド(monads)の両方をサポートしています。これは、両方のプログラミングスタイルをサポートしたいからです。
-
エフェクトハンドラを使ってプログラミングしたければ、そうできます。
-
ファンクタ(functors)、アプリカティブファンクタ(applicative functors)、モナドを使ってプログラミングしたければ、そうできます。
Flix は（まだ）IO モナドを定義していませんが、自分で作ることはできます。
Flix の標準ライブラリは、ハイブリッドなアプローチに寄っています。外界とのやり取りをモデル化するには代数エフェクトを使いますが、単純なエラー処理には Option や Result データ型を好みます。Option や Result を扱うのは、モナド構文(monadic syntax)を使うとより快適になります。
制限: 多相エフェクト
Flix の型およびエフェクトシステムは、多相エフェクト(polymorphic effects)をまだサポートしていません。1
たとえば、多相的な Throw[a] エフェクトを宣言することは できません。
eff Throw[a] {
def throw(x: a): Void
}
Flix コンパイラは次のエラーメッセージを出力します。
❌ -- Syntax Error --
>> Unexpected effect type parameters.
1 | eff Throw[a] {
^
unexpected effect type parameters
残念ながら、異なる型の値を投げる必要がある場合は、別々のエフェクトを宣言しなければなりません。
たとえば次のようになります。
eff ThrowBool {
def throw(x: Bool): Void
}
eff ThrowInt32 {
def throw(x: Int32): Void
}
new object 式と spawn 式における未処理のエフェクト
Flix は、new object 式でも spawn 式でも、未処理のエフェクトを許可しません。
たとえば、次のように書くと、
eff Ask {
def ask(): String
}
def main(): Unit \ IO =
region rc {
spawn Ask.ask() @ rc
}
Flix コンパイラは次のエラーメッセージを出力します。
-- Safety Error --------------------------------------------------
>> Illegal spawn effect: 'Ask'.
>> A spawn expression must be pure or have a primitive effect.
7 | spawn do Ask.ask() @ rc
^^^^^^^^^^^^
illegal effect.
-
この制限を取り除く方法を、現在調査中です。 ↩