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从Hello World到IO单子
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2025-03-28
这是一段平平无奇的Python代码：
def main():
x = input()
y = input()
print(x + y)
main()
这段代码的主要作用是输出“Hello World”。
第一步：输入“Hello”：
hello
第二步：输入“ World”：
hello
world
最后按下回车，第三步就会得到：
hello world
如果接触过一些异步编程的话，我们会注意到，input是一个I/O操作，如果想要高效执行
I/O，往往需要做异步的I/O。
在async/await尚未诞生的远古时代，如果我们想要把一个程序异步化，就必须要写成回调
函数的形式。
当然，这里的`input`并不是一个异步的I/O函数，不过这不妨碍我们把这段程序改成回调
函数的形式，只是为了好玩。
我们把`main`拆成三个函数，每一个函数会在结尾调用下一步：
def main():
step1()
def step1():
x = input()
step2(x)
def step2(x):
y = input()
step3(x, y)
def step3(x, y):
print(x + y)
这段代码和最初的版本功能是一样的。
接着把代码改紧凑一点：
def main():
step1()
def step1():
step2(input())
def step2(x):
step3(x, input())
def step3(x, y):
print(x + y)
Python是允许在函数里面定义函数的，就像这样：
def f1():
def f2():
do_something()
f2()
我们就用这样的方式，把函数全部堆在一起，每一步函数都在上一步里面定义，这样还是
只有一个`main`函数：
def main():
def step1():
def step2(x):
def step3(x, y):
print(x + y)
step3(x, input())
step2(input());
step1()
Python里面有个叫做“闭包”的功能。因为`step3`是在`step2`里面定义的，所以`step3`中
可以直接访问`step2`的参数`x`，不需要再专门传递进去。所以我们可以稍微简化一下：
def main():
def step1():
def step2(x):
def step3(y):
print(x + y)
step3(x, input())
step2(input());
step1()
上面的代码中，`step1`和`step2`的结构很相似，都是这样：
def step(...):
def next_step(...)
...
next_step(input())
注意最后一行的`next_step(input())`，其作用是调用`input`，获取输入结果之后，作为
参数传递给下一步。既然`input()`这个步骤是固定的，变化的只有下一步的函数，那么我
们干脆把下一步的函数当成参数，定义一个新函数：
def input_and_do(next_step):
next_step(input())
这个函数的作用和`next_step(input())`相同。
然后，用这个新定义的`input_and_do`改写`main`函数：
def main():
def step2(x):
def step3(y):
print(x + y)
input_and_do(step3)
input_and_do(step2)
Python中有个功能叫lambda表达式。原本要两行才能定义的函数：
def fn(x):
return meow(x)
用上了lambda之后只需要一行:
lambda x: meow(x)
所以，`step3`可以写成这样:
lambda y: print(x + y)
`step2`可以写成这样：
lambda x: input_and_do(step3)
把`step3`代进去，`step2`就变成了：
lambda x: input_and_do(lambda y: print(x+y))
这样`main`就可以改写成一行：
def main():
input_and_do(lambda x: input_and_do(lambda y: print(x+y)))
不过这样看起来有点乱，所以稍微做一些排版。得到了最终的Python程序，看上去非常抽
象（整活意味上的）：
def input_and_do(next_step):
next_step(input())
def main():
input_and_do(lambda x: ( \
input_and_do(lambda y: \
print(x + y))))
既然标题里面写了IO单子了，接下来要开始Haskell了。我们尝试把上面这段Python代码
改写成Haskell。既然已经写成了全是lambda的样子，那么自然也可以像素级复刻这段代码
了。
不过Haskell标准库里面的函数名字稍微有点区别，`input`对应`getLine`，`print`对应
putStrLn：
inputAndDo nextStep = nextStep getLine
main :: IO ()
main = inputAndDo(\x ->
inputAndDo(\y ->
putStrLn (x ++ y)))
不出意外的话，这段代码是可以运行的。
但是出意外了：
• Couldn't match expected type: [Char]
with actual type: IO String
• In the first argument of ‘(++)’, namely ‘x’
In the first argument of ‘putStrLn’, namely ‘(x ++ y)’
In the expression: putStrLn (x ++ y)
我们原来期望`x`和`y`的类型是`String`，但是实际上它们变成了`IO String`。问题出在
`getLine`这里，`getLine`返回的并不是一个简单的`String`，而是一个`IO String`：
ghci> :t getLine
getLine :: IO String
`getLine`的返回值（`IO String`类型）变成了`x`和`y`传给了`putStrLn`，但是
`putStrLn`期望的参数类型是`String`，所以报错了。
我们想要的`String`被IO单子包起来了，我们需要“解包”，把`IO String`“变成”
`String`。
要解决这个问题，先看看`IO String`是什么。`IO`是一个单子，单子的定义是：
class Monad m where
(>>=) :: m a -> (a -> m b) -> m b
...
...
具体到`IO`和`IO String`的话，也就是说，`(>>=)`这个操作符的类型变成了：
IO String -> (String -> IO b) -> IO b
一个只接受`String`作为参数的函数，只要使用`(>>=)`就可以把`IO String`塞进去，“解
包”，得到其中的`String`。
但是力量往往伴随着代价，如果一个函数想要用`(>>=)`解开IO单子的封印，那么这个函
数的返回值也必须是一个IO单子。
我们选择接受这个代价，修改一下`inputAndDo`：
inputAndDo nextStep = (>>=) getLine nextStep
再改成中缀形式：
inputAndDo nextStep = getLine >>= nextStep
最终的Haskell代码如下：
inputAndDo nextStep = (getLine >>= nextStep)
main :: IO ()
main = inputAndDo(\x ->
inputAndDo(\y ->
putStrLn (x ++ y)))
这段代码可以工作，撒花~
既然`inputAndDo nextStep`等价于`getLine >>= nextStep`，那么其实可以直接把
`inputAndDo`改成`getLine >>=`：
main :: IO ()
main = getLine >>= (\x->
getLine >>= (\y ->
putStrLn (x ++ y)))
效果是一样的。不过这段代码和上面的抽象版本Python代码一样，仍然看起来很糟心。
好在Haskell里面有个语法糖，叫做do notation，可以把这样的表达式：
uwu >>= (\x -> ...)
变成这样：
do
x <- uwu
...
这样看起来舒服一点。
所以我们就这样改一下，先改第一步：
main :: IO ()
main = do
x <- getLine
getLine >>= (\y ->
putStrLn (x ++ y))
第二步也是同样的形式，所以可以接着爆改：
main :: IO ()
main = do
x <- getLine
y <- getLine
putStrLn (x ++ y)
改造完毕，跟一开始的Python代码对比一下：
def main():
x = input()
y = input()
print(x + y)
完 全 一 致
就这样，我们回到了最初的原点。这段旅程就此结束。
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