C# Monads的实现（二）

再谈continuation monad

上一篇中我们已经介绍了continuation monad，但是这个monad与Identity，Maybe，IEnumerable monads稍微难于理解，故本篇再次讨论。

首先解决上一篇中最后关于continuation monad的问题，即以下这段代码目前还无法通过编译，

var r = from x in 7.ToContinuation<int, string>()
        from y in 6.ToContinuation<int, string>()
        select x + y;

Console.WriteLine(r(z => z.ToString().Replace('1', 'a'))); // displays a3

比较前面Identity monad中SelectMany实现了两个版本，可以发现对于continuation monad，我们需要实现其SelectMany的另一个版本，即除了this指定的参数，还有两个输入参数。

对比Identity monad中相应的SelectMany实现，容易知道，新增的参数是一个Func 函数，在我们上面这个例子中，这个Func 函数的lambda表达式体就是 x + y，故不难写出SelectMany的函数签名，如下，用（1）标注

public static K<V, Answer> SelectMany<T, U, V, Answer>(this K<T, Answer> m, Func<T, K<U, Answer>> k, Func<T, U, V> s);                                                                                                 （1）

这里我们也新增了一个泛型参数V，虽然对我们这个例子来说，T，U，V都是int，Answer是string，但是我们考虑了更一般的情况，故用三个泛型参数T,U,V来表示。

为了方便，我们首先把之前的SelectMany版本再次写出来，免得到上一篇文章中找寻，

public static K<U, Answer> SelectMany<T, U, Answer>(this K<T, Answer> m, Func<T, K<U, Answer>> k)
{
    return (Func<U, Answer> c) => m((T x) => k(x)(c));
}

那么，如何实现（1）的SelectMany函数？

分析：

返回类型为K<V, Answer>，故函数体可以写成类似如下，

return m.SelectMany<T, V, Answer>(...);

这句代码中的SelectMany记为之前我们已经实现了的重载版本，根据这个重载版本，我们知道括号中...部分为一个输入参数，类型为Func<T, K<V, Answer>>，故此时（1）的函数体如下，

return m.SelectMany<T, V, Answer>((T x) => ...)

现在，这句代码中的...部分的返回类型为K<V, Answer>，此为最终的返回类型，那如何得到这样一个类型值？

首先，要得到V类型，只能通过s获得，而s的参数类型为T, U，T类型值已知，为x，还需要一个U类型值，U类型值只能通过k获得，应用k到x上得到K<U, Answer>，对这个K<U, Answer>应用已实现的SelectMany重载版本，即可去包装化K<U, Answer>，如下所示，

k(x).SelectMany(...)

为了与最终的返回类型K<V, Answer>对接起来，这里k(x).SelectMany(...)中的输入参数必须为Func<U, K<V, Answer>>，此时（1）的函数体可以写成如下，

return m.SelectMany<T, V, Answer>((T x) => k(x).SelectMany<U, V, Answer>(y => ...)

此时，这句代码中...部分的返回类型为K<V, Answer>，而要得到这个类型，此时已经很容易了，将s应用到x和y上，得到类型V的值，将V类型包装成K<V, Answer>即可，而包装可以使用ToContinuation<V, Answer>，故（1）的函数体为，

return m.SelectMany<T, V, Answer>((T x) => k(x).SelectMany<U, V, Answer>(y => s(x, y).ToContinuation<V, Answer>()));

此时，可以运行上面的那个LINQ的测试代码了。

深入理解Continuation Monad

Continuation Monad用于将内部的计算外置。举例说明，

var r = 7.ToContinuation<int, string>().SelectMany(
                x => 6.ToContinuation<int, string>().SelectMany(
                    y => (x + y).ToContinuation<int, string>()));

Console.WriteLine(r(i => i.ToString()));

很明显，这段测试代码用于将7和6相加，并将和转换为字符串。如果对7和6的和不直接简单的转换为字符串，而是想对和先加1再转换为字符串呢，此时只需要修改最后一句代码中int转换为string的逻辑即可，无需修改第一句程序语句。

Continuation Monad涉及两个类型之间的关系，实现将这两个类型之间的转换的逻辑实现外置，这与F#中的Continuation Computation类似。

我们在实现Continuation Monad的函数时，主要是通过函数参数对类型进行转换，直到获得需要的类型，如下面代码为例，用于将类型T转换为Answer类型（其中this所指参数省略），

public static K<T, Answer> CallCC<T, Answer>(this ...);

K<T, Answer>的类型参考上一篇文章。

K<T, Answer>正是用于将类型T转换为Answer类型的委托，那要得到这个返回类型，this所指的参数类型可以是Func<Func<T, K<U, Answer>>, K<T, Answer>>，这个类型函数的输入为一个从T到K<U, Answer>的Func，这个Func的输入必须为T，因为我们的最终目的是要从T转换为Answer，那自然必须提供一个T才行，当然，这个Func还可以是从T到K<T, Answer>，此时this所指参数类型为Func<Func<T, K<T, Answer>>, K<T, Answer>>。这个Func甚至可以是从T到K<T, U>的函数，可以有很多可能，这里仅列出已经提过的几种情况，

public static K<T, Answer> CallCC<T, U, Answer>(this Func<Func<T, K<U, Answer>>, K<T, Answer>> u);　　　　　　　　　　　　（1）

public static K<T, Answer> CallCC<T, U, Answer>(this Func<Func<T, K<T, Answer>>, K<T, Answer>> u);　　　　　　　　　　　　（2）

public static K<U, Answer> CallCC<T, U, Answer>(this Func<Func<T, K<T, U>>, K<U, Answer>> u);　　　　　　　　　　　　　　　（3）

再如第一种情况，this所指的参数类型Func<Func<T, K<U, Answer>>, K<T, Answer>>，这个类型函数的输出类型为K<T, Answer>正好与我们最终的返回类型相同，然而，如果这个类型函数的输出类型与最终输出类型不同呢？比如是K<U, Answer>，如下所示，

public static K<T, Answer> CallCC<T, U, Answer>(this Func<Func<T, K<U, Answer>>, K<U, Answer>> u);　　　　　　　     　　（4）

这种情况下，对提供的T，仅能得到K<U, Answer>类型，如果不提供从U到T的转换函数，则我们无法实现CallCC。

Continuation Monad函数实现

对第一种情况来说，参数u这个类型函数的输出类型即为我们所要的最终类型，故CallCC实现较为简单，如下

public static K<T, Answer> CallCC<T, U, Answer>(this Func<Func<T, K<U, Answer>>, K<T, Answer>> u)
{
    return c => u(x => z => c(x))(c);
}

第二种情况更加简单，可以看成是第一种情况的U为T的特殊情况。

第三种情况，参数u这个类型函数的输出类型也是最终的返回来下，其实现如下，

public static K<U, Answer> CallCC1<T, U, Answer>(this Func<Func<T, K<T, U>>, K<U, Answer>> u)
{
    return c => u(t => z => z(t))(c);
}

Continuation Monad函数用法

public void Call()
{
    Func<Func<int, K<int, string>>, K<string, char[]>> u = U;
    var r = u.CallCC();
    
    Console.WriteLine(r(s => s.ToCharArray()));
}

private K<string, char[]> U(Func<int, K<int, string>> k)
{
    var i = 50;
    var m = 2;
    return k(m)(j => (i + j).ToString()).ToContinuation<string, char[]>();
}

其中，lambda表达式j => (i + j).ToString()中的j其实是m传入的。