如何在 Haskell 中以隐藏的方式初始化状态（就像 PRNG 一样）？答案

【问题标题】：How can I initialize state in a hidden way in Haskell (like the PRNG does)?如何在 Haskell 中以隐藏的方式初始化状态（就像 PRNG 一样）？
【发布时间】：2009-07-13 18:46:58
【问题描述】：

我浏览了一些关于 State monad 的教程，我想我明白了。

比如this nice tutorial：

import Data.Word

type LCGState = Word32

lcg :: LCGState -> (Integer, LCGState)
lcg s0 = (output, s1) 
  where s1 = 1103515245 * s0 + 12345
        output = fromIntegral s1 * 2^16 `div` 2^32


getRandom :: State LCGState Integer
getRandom = get >>= \s0 -> let (x,s1) = lcg s0
                           in put s1 >> return x

好的，所以我可以使用 getRandom：

*Main> runState getRandom 0
(0,12345)
*Main> runState getRandom 0
(0,12345)
*Main> runState getRandom 1              
(16838,1103527590)

但是每次调用时我仍然需要将种子传递给 PRNG。我知道 Haskell 实现中可用的 PRNG 不需要：

Prelude> :module Random
Prelude Random> randomRIO (1,6 :: Int)
(...) -- GHC prints some stuff here
6
Prelude Random> randomRIO (1,6 :: Int)
1

所以我可能误解了 State monad，因为我在大多数教程中都能看到似乎不是“持久”状态，而只是线程状态的一种便捷方式。

所以...我怎样才能拥有自动初始化的状态（可能来自某些使用时间和其他不太可预测的数据的函数），例如 Random 模块有吗？

非常感谢！

【问题讨论】：

标签： haskell monads state-monad

【解决方案1】：

randomRIO 使用 IO 单子。这似乎在解释器中工作得很好，因为解释器也可以在 IO monad 中工作。这就是您在示例中看到的内容；你实际上不能在代码的顶层做到这一点——你必须像所有的单子一样把它放在一个 do-expression 中。

在一般代码中，您应该避免使用 IO monad，因为一旦您的代码使用了 IO monad，它就会永远与外部状态相关联——您无法摆脱它（即，如果您有使用 IO monad 的代码，任何调用它的代码也必须使用 IO monad；没有安全的方法可以“摆脱”它）。所以IO monad 应该只用于诸如访问外部环境之类的事情，这是绝对需要的事情。

对于像本地独立状态这样的事情，你不应该使用 IO monad。您可以使用前面提到的State monad，也可以使用ST monad。 ST monad 包含许多与 IO monad 相同的特性；即有STRef 可变单元格，类似于IORef。与 IO 相比，ST 的好处在于，当你完成后，你可以在 ST monad 上调用 runST 以从 monad 中获取计算结果，而这是 IO 无法做到的。

至于“隐藏”状态，这只是 Haskell 中用于 monad 的 do 表达式语法的一部分。如果您认为需要显式传递状态，那么您没有正确使用 monad 语法。

这是在 IO Monad 中使用 IORef 的代码：

import Data.IORef
foo :: IO Int -- this is stuck in the IO monad forever
foo = do x <- newIORef 1
         modifyIORef x (+ 2)
         readIORef x
-- foo is an IO computation that returns 3

这是使用 ST monad 的代码：

import Control.Monad.ST
import Data.STRef
bar :: Int
bar = runST (do x <- newSTRef 1
                modifySTRef x (+ 2)
                readSTRef x)
-- bar == 3

代码的简洁性本质上是一样的；除了在后一种情况下，我们可以从 monad 中获取值，而在前一种情况下，我们不能不将其放入另一个 IO 计算中。

【讨论】：

谢谢！这很有帮助。关于你的评论，“在前者我们不能不把它放在另一个 IO 计算中”——我想这就是为什么当你结合几个 monad（使用 monad 转换器）时 IO monad 需要成为最里面的原因？
现在我想起来了，PRNG 必然会使用 IO monad，对吧？它需要熵，所以它需要来自“某处”的数据。它实际上需要至少一个引用不透明的函数（否则它就没有用处，例如，对于加密代码）！ :-)

【解决方案2】：

secretStateValue :: IORef SomeType
secretStateValue = unsafePerformIO $ newIORef initialState
{-# NOINLINE secretStateValue #-}

现在在 IO monad 中使用普通的readIORef and writeIORef 访问您的 secretStateValue。

【讨论】：

说到这里，Random 使用atomicModifyIORef 而不是readIORef + writeIORef 对；这样做似乎是个好主意。
确实，如果要从多个线程访问使用 atomicModifyIORef 是一个更好的主意。

【解决方案3】：

所以我可能误解了 State monad，因为我在大多数教程中看到的似乎不是“持久”状态，而只是线程状态的一种便捷方式。

state monad 正是关于通过某个范围的线程状态。

如果您想要顶级状态，那是语言之外的（并且您必须使用全局可变变量）。请注意这可能会使您的代码的线程安全变得复杂——该状态是如何初始化的？什么时候？以及通过哪个线程？

【讨论】：