【问题标题】：How to handle state from external systems functionally?如何在功能上处理来自外部系统的状态？
【发布时间】：2012-04-23 07:29:36
【问题描述】：
我最近接触了函数式编程，并学习了几种以引用透明的方式处理某些副作用的方法：
但现在大多数“现实世界”应用程序都与外部系统（如 Web 服务、数据库等）交互，这些系统可以由多个用户同时修改，它们具有状态、长时间运行的操作等。所以情况是不像上述类别那么简单：向系统询问实体的状态或试图控制它的结果取决于它的状态。此外，交互性也是一个要求：有一些用户可以任意点击的 GUI，也许我们还必须对来自系统的变化做出自动反应。
通过最大化纯函数的好处来设计和实现这类应用程序的模式是什么？或者上述一些方法可以以我没有想到的方式应用于这个问题吗？该语言（比如 Java 或 Scala）并不强制要求 100% 的纯度，所以我对实践经验支持的实用解决方案感兴趣。
【问题讨论】：
标签：
functional-programming
referential-transparency
architectural-patterns
【解决方案1】：
我还没有完成很多实际以实际方式完成的此类事情，因此希望其他人能够做得更多。然而，我已经用 Scala 编写了一个 Android 应用程序，它有你的几个要求； UI 是交互式的，“状态”全部存储在 SQLite 数据库中。数据库和 UI 都需要与 Android 框架交互，这些框架非常面向 Java，因此不太适合 Scala 或函数式编程。
我所做的是采用类似于 MVC 设计的东西，其中模型部分被实现为一组仅支持纯操作的 ADT。这样做的另一个好处是模型代码完全独立于 Android 框架，因此可以在模拟器之外以任何我喜欢的方式对其进行测试。
这给我留下了控制器（视图是一个非常薄的层，主要是配置，与 Android 的工作方式一样），加上“从数据库加载模型”和“将模型保存到数据库”。作为 Scala，我只是用不纯代码实现了这些部分，这些代码调用纯模型代码来进行实际的数据操作。在 Haskell 中，这些部分可能完全在 IO monad[1] 中。
总之，这让我能够以纯粹的功能性术语来思考我的问题域，而不必在与外部系统交互时“违背常规”。数据库层变成了数据库模式和我用于数据模型的 ADT 之间的映射问题；处理这些操作可能失败的事实是控制器（启动数据库操作）的责任，并且不会影响模型。控制器操作在概念上变得非常简单，例如“按下此按钮时，将当前状态设置为在当前状态上调用函数的结果，然后更新显示表”。最后，这种不纯的“胶水”代码比实际的模型代码要多得多，但我仍然认为以这种方式编写程序是一种胜利，因为我的应用程序的核心是处理复杂的结构化数据，所以做到这一点是最棘手的。其余的主要是编写乏味而不是难以设计。
当您的程序中有大量计算（不一定是大量数据，只是您实际在其上进行计算）时，此方法有效。如果该程序几乎完全将不同的外部系统粘合在一起，那么您不一定有那么多收获。
[1] 请记住，IO monad 不仅仅用于从控制台读取/写入。结果受程序外部状态影响的建模操作正是 IO monad 用于的；通常，如果 IO monad 不是一直与外部系统交互（或者最好即使是），Haskellers 会尽量避免在几乎整个程序中使用 IO monad。您可以对数据进行纯计算以响应来自“外部”的事件，或者甚至对响应外部事件需要执行的 IO 操作进行纯计算（如果这很复杂）。
【解决方案2】：
但现在大多数“现实世界”应用程序都与外部系统（如 Web 服务、数据库等）交互，这些系统可以由多个用户同时修改，它们具有状态、长时间运行的操作等。所以情况是不像上述类别那么简单：向系统询问实体的状态或试图控制它的结果取决于它的状态。此外，交互性也是一个要求：有一些用户可以任意点击的 GUI，也许我们还必须自动响应来自系统的变化。
交互式地同时编辑共享状态只是状态单子的另一个示例。您可能会使用镜头或其他抽象来对数据结构进行编辑，但在后台您所拥有的只是共享的全局状态。
如果您想要机器级并发支持，您可以使用并发结构（例如 STM var 或 MVar ）来解决并发编辑的冲突。这意味着您将处于 STM 或 IO monad 中。
在 Hackage 和 Haskell 包中，有很多为此类作业设计的单子环境示例。
【解决方案4】：
我对实践经验支持的务实解决方案感兴趣。
GHC 用来提供不同标识符的 Unique 类型可能会让您感兴趣 - 可以在 John Launchbury 和 Simon Peyton Jones 的 State in Haskell 的第 39-41 页上找到基于相同方法的教学实施。这种方法可以追溯到 F. Warren Burton 的 Nondeterminism with Referential Transparency in Functional Programming Languages，其中还简要描述了使用 pseudo-data 在运行时访问信息以提供 timestamp 和 spacestamp 值。 p>
既然你提到了IO：
-- abstract; single-use I/O source
data Exterior
getchar :: Exterior -> Char
putchar :: Char -> Exterior -> ()
-- from section 2 of Burton's paper
data Tree a = Node { contents :: a,
left :: Tree a,
right :: Tree a }
-- utility definitions
type OI = Tree Exterior
getChar' :: OI -> Char
getChar' = getchar . contents
putChar' :: Char -> OI -> ()
putChar' c = putchar c . contents
part :: OI -> (OI, OI)
parts :: OI -> [OI]
part t = (left t, right t)
parts t = let !(t1, t2) = part t in
t1 : parts t2
现在从 Philip Wadler 的 How to Declare an Imperative 定义运行示例：
echo :: OI -> ()
echo t = let !(t1:t2:t3:_) = parts t in
let !c = getChar' t1 in
if c == '\n' then
()
else
let !_ = putChar' c t2 in
echo t3
连同IO:
type IO a = OI -> a
unit :: a -> IO a
unit x = \ t -> let !_ = part t in x
bind :: IO a -> (a -> IO b) -> IO b
bind m k = \ t -> let !(t1, t2) = part t
!x = m t1
!y = k x t2
in y
{-
getChar' :: IO Char
putChar' :: Char -> IO ()
echo :: IO ()
-}