我应该如何管理新语言设计中的副作用？

Question

所以我目前正在研究一种新的编程语言。 受到并发编程和 Haskell 思想的启发，该语言的主要目标之一是管理副作用。 或多或少，每个模块都需要指定它允许哪些副作用。 所以，如果我正在制作游戏，图形模块将没有能力进行 IO。 输入模块将无法绘制到屏幕上。 人工智能模块需要完全纯净。 游戏的脚本和插件可以访问非常有限的 IO 子集来读取配置文件。 等等。

然而，什么构成副作用尚不清楚。 我正在寻找关于该主题的任何想法或建议，我可能想用我的语言来考虑。 这是我目前的想法。

有些副作用是显而易见的。 无论是打印到用户的控制台还是发射导弹，任何读取或写入用户拥有的文件或与外部硬件交互的操作都是副作用。

其他的则更微妙，这些是我真正感兴趣的。这些是诸如获取随机数、获取系统时间、休眠线程、实现软件事务内存，甚至是一些非常基本的东西（例如分配内存）。

与其他旨在控制副作用的语言（看看你的 Haskell）不同，我想将我的语言设计得务实且实用。 对副作用的限制应该有两个目的：

• 帮助分离关注点。 （没有一个模块可以做所有事情）。
• 将应用程序中的每个模块沙箱化。 （任何模块都可以用作插件）

考虑到这一点，我应该如何处理“伪”副作用，例如随机数和睡眠，正如我上面提到的？ 我还可能错过了什么？ 我可以通过哪些方式将内存使用和时间作为资源进行管理？

Answer 1

如何描述和控制效果的问题目前正在困扰着编程语言中一些最优秀的科学头脑，包括像 哈佛大学的格雷格·莫里塞特。 据我所知，该领域最雄心勃勃的开创性工作是由 David Gifford 和 Pierre Jouvelot 在 1987 年开始使用 FX 编程语言完成的。 语言定义是在线的，但是您可以通过阅读他们的 1991 POPL 论文。

Answer 2

这是一个非常有趣的问题，它代表了我经历过的阶段之一，坦率地说，已经超越了。

我记得卡尔·休伊特在研讨会上谈论他的演员形式主义时讨论了这一点。 他将其定义为一种给出响应的方法，该响应仅是其参数的函数，或者可以在不同时间给出不同的答案。

我说我超越了这一点，因为它使语言本身（或计算模型）成为主要主题，而不是它应该解决的问题。 它基于这样的想法：语言应该有一个正式的底层模型，以便其属性易于验证。 这很好，但仍然是一个遥远的目标，因为（据我所知）仍然没有一种语言可以证明像冒泡排序这样简单的事情的正确性容易，更不用说更复杂的系统了。

以上是一个很好的目标，但我的方向是从信息论的角度来看待信息系统。 具体来说，假设一个系统以一个需求集（在纸上或在某人的头脑中）开始，这些需求可以被传输到程序编写机器（无论是自动的还是人类的）以生成用于工作实现的源代码。 然后，当需求发生更改时，这些更改将作为对实现源代码的增量更改进行处理。

那么问题是：源代码（及其编码语言）的哪些属性有助于此过程？ 显然，这取决于要解决的问题的类型、输入和输出的信息类型（以及何时）、信息必须保留多长时间以及需要进行什么样的处理它。 由此可以确定该问题所需的语言的形式水平。

我意识到，通过对源代码的需求进行增量更改的过程变得更加容易，因为代码的格式与需求更加相似，并且有一种很好的定量方法来衡量这种相似性，而不是就表面相似而言，但就编辑动作而言。 最能表达这一点的众所周知的技术是领域特定语言（DSL）。 所以我开始意识到，我在通用语言中最需要的是创建专用语言的能力。

根据应用的不同，这种专用语言可能需要也可能不需要特定的形式特征，如函数符号、副作用控制、并行性等。事实上，有很多方法可以制作专用语言，从解析、解释、编译，直至现有语言中的宏，直至现有语言中的简单定义类、变量和方法。 一旦你声明了一个变量或子例程，你就创建了新的词汇，从而创建了一种用来解决你的问题的新语言。 事实上，从广义上讲，我认为如果不成为某种程度的语言设计师，就无法解决任何编程问题。

祝你好运，我希望它能为你打开新的视野。

Answer 3

副作用是对除了返回值之外的世界上的任何事物产生任何影响，即改变在函数之外以某种方式可见的东西。

纯函数既不依赖也不影响函数调用范围之外的任何可变状态，这意味着函数的输出仅依赖于常量及其输入。 这意味着，如果您使用相同的参数调用一个函数两次，则无论该函数是如何编写的，都保证两次都会得到相同的结果。

如果您有一个函数修改已传递的变量，则该修改是副作用，因为它是函数的可见输出，而不是返回值。 不是空操作的 void 函数必定有副作用，因为它没有其他方式影响世界。

该函数可以有一个私有变量，仅对其读取和修改的该函数可见，并且调用它仍然会产生改变该函数将来行为方式的副作用。 纯粹意味着只有一个通道用于任何类型的输出：返回值。

纯粹生成随机数是可能的，但您必须手动传递随机种子。 大多数随机函数都会保留一个私有种子值，该值在每次调用时都会更新，以便您每次都会获得不同的随机数。 这是使用 System.Random 的 Haskell 代码片段：

randomColor              :: StdGen -> (Color, Int, StdGen)
randomColor gen1         = (color, intensity, gen2)
 where (color, gen2)     = random gen1
       (intensity, gen3) = randomR (1, 100) gen2

随机函数各自返回随机值和带有新种子的新生成器（基于前一个种子）。 为了每次获得新值，必须传递新生成器链（gen1、gen2、gen3）。 隐式生成器仅使用内部变量在后台存储 gen1.. 值。

手动执行此操作很痛苦，在 Haskell 中，您可以使用状态 monad 使其变得更容易。 您需要实现一些不太纯粹的东西，或者使用单子、箭头或唯一性值等工具来将其抽象出来。

获取系统时间是不纯粹的，因为每次询问的时间都可能不同。

睡眠更加模糊，因为睡眠不会影响函数的结果，并且您始终可以用繁忙的循环来延迟执行，这不会影响纯度。 问题是睡觉是为了其他事情而做的，这是一种副作用。

纯语言中的内存分配必须隐式发生，因为如果可以进行任何类型的指针比较，显式分配和释放内存都会产生副作用。 否则，创建具有相同参数的两个新对象仍会产生不同的值，因为它们具有不同的标识（例如，通过 Java 的 == 运算符不等于）。

我知道我已经胡言乱语了一些，但希望这能解释什么是副作用。

Answer 4

认真研究 Clojure 以及他们对 软件事务内存、代理和原子，以控制副作用。