今日播报!Monoid 和 Foldable

热点资讯来源 :哔哩哔哩 2023-01-27 09:05:16

又要工作了……

(资料图片仅供参考)

Monoid

Monoid 在 Haskell 中有很多应用，且和折叠操作比较相关，值得学习。

幺半群 Monoid，或者说半群 with 幺元，那首先得了解半群和幺元是什么玩意。

半群 Semigroup 是这样一种数学结构，对非空集合 S，对 S 上的二元运算·: S x S -> S，其满足结合律（即对集合 S 上的元素 a，b，c，有a · (b · c) = (a · b) · c），则二元组(S, ·)为半群；幺半群则在半群的基础上添加了一个幺元 identity element——任何元素对其作运算·仍旧得到它自身，这是说假如令幺元为 e，则对 S 上任意元素 a，有a · e = a = e · a，三元组(S, ·, e)为幺半群。

数学定义抽象且无聊，但幺半群的几个实例是非常明显的：

（Int，+, 0)是幺半群——结合律：1 + (2 + 3) = (1 + 2) + 3, 幺元：1 + 0 = 0 + 1 = 1

（Int，*, 1)是幺半群——结合律：1 * (2 * 3) = (1 * 2) * 3, 幺元：2 * 1 = 1 * 2 = 2

([a], ++, [])是幺半群——结合律：[1,2] ++ ([3] ++ [4]) = ([1,2] ++ [3]) ++ [4]，幺元：[1,2] ++ [] = [] ++ [1,2] = [1,2]

（String，++, "")是幺半群，同上

结合律允许以任意顺序去执行这样的运算，这允许对其去并行计算。

Haskell 中定义了相应的 typeclass 用来表示幺半群：

实现其只需要指定二元运算（在半群实例中）和幺元即可，下面定义数字加法幺半群：

Monoid 的实例需要满足下面的定律：

容易发现，(Bool, &&, True)和(Bool, ||, False)也是幺半群：

应用

Monoid 的定义很简单，但其的使用的地方还是很多的，下面列一些可能常用的：

0. 列表是 Monoid。

1. Data.Text 是更高性能的字符串，其也是 Monoid 的实例，其无法像[Char]一样使用++去拼接，因此需要使用半群的<>去进行拼接：

2. Data.Monoid 包下定义了 newtype First和 Last，用于将Maybe m视为 Monoid，二元运算为取第一个或最后一个 Just 值，取不到则为 Nothing（Nothing 为幺元）；其特别适用于“取变量 x，如果 x 为 null，取变量 y”的需求（更抽象地说，对于变量 a,b,c,d,e…，从前往后或从后往前取第一个非 null 的变量）：

注意，Data.Semigroup 包下也定义了 First 和 Last，但其行为和 Data.Monoid 包下的同名 newtype 不同，Semigroup 包下的 First 和 Last 仅是半群且和 Maybe 无关，二元运算为取前者或后者！（坑啊！

First 也可以直接用类型类Alternative中的<|>替代，这样更清晰些：

顺便，对于Maybe m，若类型变量 m 是 Semigroup，则Maybe m为 Monoid，二元运算行为是将包含的值进行拼接，其中 Nothing为幺元：

3. Ordering类型，即 compare 函数的返回值类型，也是 Monoid，其幺元是EQ，二元运算的行为类似 First，其非常适合这种需求——先比较 x，如果 x 相等，比较 y。比如这里写一个函数比较两个字符串的长度大小，其中规定若两个字符串等长，则比较两个字符串内容：

同伦映射

乘法有一个所谓的分配律，这是说对实数 a，b，c，有 a * (b + c) = a * b + a * c，定义f(x) = a * x，有f(b + c) = f(b) + f(c)，又能看到，f(0) = 0，这时称函数 f 是一个加法幺半群到加法幺半群上的同伦映射 Homomorphism，抽象地说，对于 Monoid a 和 b，有：

如，length 是([a], ++, [])到(Int, +, 0)的同伦映射：

这玩意有什么用呢？简单来说，若有变量 a，b 是一个幺半群的元素且二元运算为+，求f(a + b)的值，若 f 是同伦映射，就可以并行地计算f(a)和f(b)，然后使用对应二元运算得到结果。

但或许更有趣的地方是，Monoid 和折叠操作相关。

Foldable，但是 foldMap

Foldable 是列表的折叠操作的一般化，从而使任意类型具有折叠的能力。要实现 Foldable，需要实现 foldr 或者 foldMap，foldr 是老朋友了，foldMap 是何方神圣？

foldMap 的类型签名是foldMap :: (Foldable t, Monoid m) => (a -> m) -> t a -> m，这是说，对于可折叠类型 t，如果有将其中元素映射成为某 Monoid 类型 m 的映射，就能把 t 折叠成 m。how？

考虑foldr f z [a, b, c]，其可以表述为a `f` (b `f` (c `f` z))，若令f = (<>), z = mempty，就得到了a <> (b <> (c <> mempty))，这正好是 mconcat 的定义：

可以看到，对于一个幺半群的列表，总是有一种方式去对它进行折叠操作，即是使用幺元作为初始值，使用二元运算作为操作符；将这泛化一步——若某列表中的元素能映射成为特定幺半群，则这个列表可以使用这个幺半群的方式去折叠，这就是 foldMap——先映射成为特定幺半群，再折叠：

foldMap 有一些非常有趣的玩法，比如定义 sum，product，all，any 等：

因为 mconcat 可以由 foldr 定义（实际上对左折叠也行，因为半群的结合性，但二元运算可能需要flip一下——半群不要求二元运算满足交换律），所以 foldMap 可以由 foldr 定义。这是对折叠操作的一种新的视角——先把列表元素类型映射成幺半群，再用二元运算去 concat 成一个值。

这里去使用 foldMap 去实现一个 reverse，同时也给出 foldr 的版本：

foldMap 的这种对折叠操作的看待方式相当有趣——每次进行列表或其它结构的折叠操作的时候，实际上都是定义了一个新的幺半群，将结构中的值映射到幺半群的类型，并使用幺半群的二元运算去做拼接。那么，是否有可能根据 foldMap 去定义折叠操作？

观察 foldr 的签名：

考虑折叠操作a -> b -> b，为返回值加上括号得到 a -> (b -> b)……唔姆唔姆，从这个角度上看 foldr，我们就是把列表中的元素 a 映射成为b -> b，然后将其不断地应用在初始值 b 上，得到最终结果，于是，如何处理列表b -> b和初始值 b？

好玩的地方来了：函数本身也是幺半群，幺元是 id，二元运算是函数组合，所以，我们可以先把b -> b列表折叠成一个b -> b，再应用它到初始值 b上，下面是定义：

这说明可以用 foldMap 去实现 foldr，前面又用 foldr 去实现 foldMap，它们可以互相实现；Haskell 中提供折叠操作的类型类是 Foldable，其允许仅定义 foldMap 或 foldr 去实例化它，这里给出列表的递归的 foldMap 实现：

Foldable 中还有许多有趣的玩意，比如用 foldr 去实现 foldl，foldr1 等，以及转换到列表，检查是否为空，获取容器长度，求最大最小值等：

toList 非常有趣，其证明任何可折叠的类型都可以转换成为列表，这借用了列表是幺半群这个特性：

toList reflects the fact that lists are the free monoid for Haskell types. “Free” here means any value can be promoted to the monoid in a way which neither adds nor erases any information (we can convert values of type a to [a] lists with a single element and back through (\x->[x]) and head in a lossless way)