Tisztán funkcionális adatszerkezetek (folytatás)

Átírás

1 Tisztán funkcionális adatszerkezetek (folytatás)

2 Rövid összefoglalás az eddigiekről A hatékony adatszerkezetek általában... [..] language-independent only in the sense of Henry Ford: Programmers can use any language as they want, as long as it s imperative. Chris Okasaki, Purely Functional Data Structures, 1996 Az imperatív adatszerkezetek viszont: Gyakran döntő mértékben támaszkodnak az elemek felülírására ( destructive update ) Ezáltal nem tisztán funkcionálisak, mivel azok mindig (automatikusan) perzisztensek: az adatszerkezet régi állapotai is elérhetőek Hatékony (megvalósítható) perzisztencia: lusta kiértékelés, memoization, amortizáció. [2..40]

3 Interlude: Zipper A zipper az adatszerkezet egy olyan ábrázolási módja, amely megkönnyíti annak bejárását és elemeinek módosítását. "gap buffer": ugyanazon pozícióhoz (kurzorhoz) tartozó beszúrások és törlések nyalábolása, optimalizációja az amortizált költsége kevés. Gyakran alkalmazzák nagyobb méretű adatszerkezetekben való mozgásra vagy fókuszálásra, például: Fókusz és ablakok elhelyezésének kezelése (xmonad) Szövegszerkesztők Tranzakciós szemantikával rendelkező állományrendszerek Ez a megoldás tetszőleges rekurzívan definiált adatszerkezet (lista, fa stb.) esetén alkalmazható. [3..40]

4 Kétirányú listák: "List with Zipper" [4..40]

5 Kétirányú listák: "List with Zipper" [5..40]

6 Kétirányú listák: implementáció (1) newtype ZippList α = ZPL ([α], [α]) fromlist :: [α] ZippList α fromlist xs = ZPL ([], xs) tolist :: ZippList α [α] tolist (ZPL (xs, ys)) = reverse xs ++ ys get :: ZippList α [α] get (ZPL (_, ys)) = ys [6..40]

7 Kétirányú listák: implementáció (2) right :: ZippList α ZippList α right (ZPL (xs, (y : ys))) = ZPL (y : xs, ys) right zl = zl left :: ZippList α ZippList α left (ZPL ((x : xs), ys)) = ZPL (xs, x : ys) left zl = zl put :: Either α α ZippList α ZippList α put (Left e) (ZPL (xs, ys)) = ZPL (e : xs, ys) put (Right e) (ZPL (xs, ys)) = ZPL (xs, e : ys) putleft = put Left putright = put Right [7..40]

8 Kétirányú listák: implementáció (3) modify :: (α Maybe α) ZippList α ZippList α modify f (ZPL (xs, y : ys)) = ZPL $ case (f y) of Nothing (xs, ys) Just e (xs, e : ys) modify _ zl = zl update f = modify (Just f ) delete = modify (const Nothing) [8..40]

9 Kétirányú fák: "Tree with Zipper" [9..40]

13 Kétirányú fák: implementáció (1) data Tree α = Branch (Tree α) (Tree α) Leaf α data TreeContext α = Top L (TreeContext α) (Tree α) R (Tree α) (TreeContext α) type Location α γ = (α, γ) type TreeLocation α = Location (Tree α) (TreeContext α) [13..40]

14 Kétirányú fák: implementáció (2) treeleft :: TreeLocation α TreeLocation α treeleft (Branch l r, c) = (l, L c r) treeright :: TreeLocation α TreeLocation α treeright (Branch l r, c) = (r, R l c) treetop :: Tree α TreeLocation α treetop t = (t, Top) treeup :: TreeLocation α TreeLocation α treeup (t, L c r) = (Branch t r, c) treeup (t, R l c) = (Branch l t, c) [14..40]

15 Kétirányú fák: implementáció (3) treeupmost :: TreeLocation α TreeLocation α treeupmost Top) = l treeupmost l = treeupmost (treeup l) treechange :: TreeLocation α (Tree α Tree α) TreeLocation α treechange (t, c) f = (f t, c) Például: treeview :: TreeLocation α Tree α treeview (t, _) = t treechange ((treeright treeleft treetop) t) (const (Leaf 0)) [15..40]

16 Ráadás: Zipper monád newtype Zipper λ α = Zipper { unzipper :: State λ α } deriving (Functor, Applicative, Monad, MonadState λ) traverse :: Location α γ Zipper (Location α γ) α α traverse start tt = evalstate (unzipper tt) start move :: (Location α γ Location α γ) Zipper (Location α γ) α move f = do modify f gets fst change :: (α α) Zipper (Location α γ) α change f = do modify (λ (t, c). (f t, c)) gets fst [16..40]

17 Zipper monád: példa swaptree :: Zipper (TreeLocation α) (Tree α) swaptree = move swap where swap (t, R l c) = (l, L c t) swap (t, L c r) = (r, R t c) treemap :: (α Tree α) (Tree α Tree α Tree α) (Tree α Tree α) treemap leaf branch = λ t. (treetop t) traverse treemapm where treemapm = do t gets fst case t of Branch do move treeleft l mod treemapm swaptree r mod treemapm move treeup (change const) (branch l mod r mod ) Leaf x return (leaf x) [17..40]

18 FingerTree (intuíció) [18..40]

25 Implementáció: társított (indexelt) típusszinonimák {-# LANGUAGE TypeFamilies, KindSignatures #-} class Collects α where type Elem α :: empty :: α insert :: Elem α α α... instance Eq (Elem [ε]) Collects [ε] where type Elem [ε] = ε empty = [] insert e xs = (e : xs)... [25..40]

26 Implementáció: nézetminták {-# LANGUAGE ViewPatterns #-} type Typ =... data TypView = Unit Arrow Typ Typ view :: Typ TypView view =... size :: Typ Integer size t = case (view t) of Unit 1 Arrow t 1 t 2 size t 1 + size t 2 Nézetminták segítségével pedig: size (view Unit) = 1 size (view Arrow t 1 t 2 ) = size t 1 + size t 2 [26..40]

27 Implementáció: mohón kiértékelt adatkonstruktorok data T = T!Int!Int A konstruktor! segítségével megjelölt paramétereit (strictness annotation) normálformára kell hozni, mielőtt azt alkalmazzuk. Körültekintéssel kell alkalmazni, mivel ez automatikusan nem vezet a teljesítmény növekedéséhez. Sőt, ronthatja a teljesítményt: ha az adott mezőt már egyszer kiértékeltük, akkor lényegében még egyszer kiértékeltetjük (feleslegesen). A helyzet tisztázásában a fordító nem mindig tud a segítségünkre lenni. [27..40]

28 Implementáció: egymásba ágyazott típusok -- alternáló lista data AList α β = Nil Cons α (AList β α) alist :: AList Int Char alist = Cons 1 (Cons A (Cons 2 (Cons B Nil))) -- ciklikus lista data Void data CList α β = Var β Nil RCons α (CList (Maybe β)) 1 2 clist 1, clist 2 :: CList Int Void clist 1 = RCons 1 (RCons 2 (Var Nothing)) clist 2 = RCons 1 (RCons 2 (RCons 3 (Var (Just Nothing)))) A rekurzív részben az adattípust nem a deklaráció szerint alkalmazzuk: nested, non-regular, non-uniform, heterogenous data type Adattípusokon belüli invariánsok (típusozott) megtartására alkalmazható. [28..40]

29 FingerTree: definíció (1) class (Monoid (Measure α)) Measured α where type Measure α measure :: α Measure α data FingerTree α = Empty Single α Deep!(Measure α)!(digit α) (FingerTree (Node α))!(digit α) deep :: (Measured α) Digit α FingerTree (Node α) Digit α FingerTree α deep pr m sf = Deep (measure pr measure m measure sf ) pr m sf data Node α = Node2 (Measure α) α α Node3 (Measure α) α α α node2 :: (Measured α) α α Node α node2 x y = Node2 (measure x measure y) x y node3 :: (Measured α) α α α Node α node3 x y z = Node3 (measure x measure y measure z) x y z [29..40]

30 FingerTree: definíció (2) newtype Digit α = D { und :: [α] } prependdigit :: α Digit α Digit α prependdigit x (D xs) = D (x : xs) appenddigit :: Digit α α Digit α appenddigit (D xs) x = D (xs ++ [x]) breakdigit :: Digit α (α, Digit α) breakdigit (D (x : xs)) = (x, D xs) kaerbdigit :: Digit α (α, Digit α) kaerbdigit (D xs) = (last xs, D (init xs)) [30..40]

31 FingerTree: definíció (3) instance (Measured α) Measured (Node α) where type Measure (Node α) = Measure α measure (Node2 m ) = m measure (Node3 m _) = m instance (Measured α) Measured (Digit α) where type Measure (Digit α) = Measure α measure (D xs) = foldr ( ) mempty (map measure xs) instance (Measured α) Measured (FingerTree α) where type Measure (FingerTree α) = Measure α measure Empty = mempty measure (Single x) = measure x measure (Deep m _) = m [31..40]

32 FingerTree: létrehozás -- O(1) empty :: (Measured α) FingerTree α empty = Empty singleton :: (Measured α) α FingerTree α singleton = Single infixr 5 ( ) :: (Measured α) α FingerTree α FingerTree α x Empty = Single x x (Single y) = deep (D [x]) Empty (D [y]) x (Deep _ (D [y, z, u, w]) m sf ) = deep (D [x, y]) (node3 z u w m) sf x (Deep _ pr m sf ) = deep (prependdigit x pr) m sf -- O(n) ( ) :: (Measured α) [α] FingerTree α FingerTree α xs ys = foldr ( ) ys xs fromlist :: (Measured α) [α] FingerTree α fromlist xs = xs Empty digittotree :: (Measured α) Digit α FingerTree α digittotree (D xs) = fromlist xs [32..40]

33 FingerTree: elérés infixr 5 data ViewL α = EmptyL α (FingerTree α) -- O(1) viewl :: (Measured α) FingerTree α ViewL α viewl Empty = EmptyL viewl (Single x) = x Empty viewl (Deep _ pr m sf ) = p (deepl lpr m sf ) where (p, lpr) = breakdigit pr deepl :: (Measured α) Digit α FingerTree (Node α) Digit α FingerTree α deepl (D []) (viewl EmptyL) sf = digittotree sf deepl (D []) (viewl x m) sf = deep (nodetodigit x) m sf deepl pr m sf = deep pr m sf nodetodigit :: (Measured α) Node α Digit α nodetodigit (Node2 _ x y) = D [x, y] nodetodigit (Node3 _ x y z) = D [x, y, z] [33..40]

34 FingerTree: elérés (alkalmazás) isempty :: (Measured α) FingerTree α Bool isempty (viewl EmptyL) = True isempty _ = False headl :: (Measured α) FingerTree α α headl (viewl x _) = x taill :: (Measured α) FingerTree α FingerTree α taill (viewl _ x) = x [34..40]

35 FingerTree: összekapcsolás infixr 5 -- O(log(min(n, m))) ( ) :: (Measured α) FingerTree α FingerTree α FingerTree α xs ys = f xs [] ys where f :: (Measured α) FingerTree α [α] FingerTree α FingerTree α f Empty ts xs = ts xs f xs ts Empty = xs ts f (Single x) ts xs = x (ts xs) f xs ts (Single x) = (xs ts) x f (Deep _ pr 1 m 1 sf 1 ) ts (Deep _ pr 2 m 2 sf 2 ) = deep pr 1 (f m 1 (nodes (und sf 1 ++ ts ++ und pr 2 )) m 2 ) sf 2 nodes :: (Measured α) [α] [Node α] nodes [x, y] = [node2 x y] nodes [x, y, z] = [node3 x y z] nodes [x, y, z, u] = [node2 x y, node2 z u] nodes (x : y : z : xs) = node3 x y z : nodes xs [35..40]

36 FingerTree: felbontás (1) data Split φ α = Split (φ α) α (φ α) i: kezdőérték, P( ): monoton predikátum, csak és P(i) P(i d ) = let Split l x r = splitdigit p i d in tolist l ++ [x] ++ tolist r = tolist d P(i l ) P(i l x ) splitdigit :: (Measured α) (Measure α Bool) Measure α Digit α Split Digit α splitdigit p i (breakdigit (x, D [])) = Split (D []) x (D []) splitdigit p i (breakdigit (x, xs)) p j = Split (D []) x xs otherwise = let Split l y r = splitdigit p j xs in Split (prependdigit x l) y r where j = i measure x x i-1 x i x 1 x 2 x i+1 x n-1 vn-1... P... P x n i v 1 v 2 v i-1 v i [36..40] vn

37 FingerTree: felbontás (2) P(i) P(i t ) = let Split l x r = splittree p i t in tolist l ++ [x] ++ tolist r = tolist t P(i l ) P(i l x ) -- O(log(min(n l, n r ))) splittree :: (Measured α) (Measure α Bool) Measure α FingerTree α Split FingerTree α splittree p i (Single x) = Split Empty x Empty splittree p i (Deep _ pr m sf ) p vpr = let Split l x r = splitdigit p i pr in Split (digittotree l) x (deepl r m sf ) p vm = let Split ml xs mr = splittree p vpr m Split l x r = splitdigit p (vpr measure ml) (nodetodigit xs) in Split (deepr pr ml l) x (deepl r mr sf ) otherwise = let Split l x r = splitdigit p vm sf in Split (deepr pr m l) x (digittotree r) where (vpr, vm) = (i measure pr, vpr measure m) [37..40]

38 FingerTree: felbontás (3) t Empty = let Split l x r = splittree p i t in tolist l ++ [x] ++ tolist r = tolist t (l = Empty P(i l )) (r = Empty P(i l x )) split :: (Measured α) (Measure α Bool) FingerTree α (FingerTree α, FingerTree α) split p Empty = (Empty, Empty) split p t p (measure t) = (l, x r) otherwise = (t, Empty) where Split l x r = splittree p mempty t [38..40]

39 FingerTree: véletlen elérésű sorozatok (alkalmazás) newtype Elem ν α = Elem { getelem :: α } newtype Size = Size { getsize :: Int } deriving (Eq, Ord) newtype Seq α = Seq (FingerTree (Elem Size α)) instance Monoid Size where mempty = Size 0 mappend (Size m) (Size n) = Size (m + n) instance Measured (Elem Size α) where type Measure (Elem Size a) = Size measure (Elem _) = Size 1 fromlist :: [α] Seq α fromlist xs = Seq (FT.fromList (map Elem xs)) tolist :: Seq α [α] tolist (Seq t) = map getelem (FT.toList t) [39..40]

40 FingerTree: véletlen elérésű sorozatok (alkalmazás) length :: Seq α Int length (Seq xs) = getsize (FT.measure xs) splitat :: Int Seq α (Seq α, Seq α) splitat i (Seq xs) = (Seq l, Seq r) where (l, r) = FT.split (Size i <) xs (!) :: Seq α Int α (Seq xs)! i = getelem x where Split _ x _ = FT.splitTree (Size i <) (Size 0) xs [40..40]