State，ST，IORef和MVar之间的区别

Question

我正在通过Write Yourself a Scheme in 48 Hours（我大约85小时），我已经完成了关于Adding Variables and Assignments的部分。本章中有一个很大的概念性跳跃，我希望它分两步完成，两者之间有很好的重构，而不是直接跳到最终的解决方案。总之...

我已经迷失了许多看似用于同一目的的不同类：State，ST，IORef和MVar。文本中提到了前三个，而最后三个似乎是许多关于前三个问题的StackOverflow问题的最佳答案。它们似乎在连续调用之间都处于状态。

这些是什么以及它们如何彼此不同？

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特别是这些句子没有意义：

  

相反，我们使用一个名为状态线程的功能，让Haskell为我们管理聚合状态。这使我们可以像处理任何其他编程语言一样处理可变变量，使用函数来获取或设置变量。

和

  

IORef模块允许您在IO monad 中使用有状态变量。

所有这些都会让行type ENV = IORef [(String, IORef LispVal)]感到困惑 - 为什么第二个IORef？如果我改写type ENV = State [(String, LispVal)]会怎样？

Answer 1

State Monad：一个可变状态的模型

状态monad是一个纯函数的环境，用于具有状态的程序，具有简单的API：

• 获得
• 把

the mtl package中的文档。

状态monad通常在单个控制线程中需要状态时使用。它实际上并没有使用可变状态。相反，程序由状态值参数化（即状态是所有计算的附加参数）。状态似乎只在一个线程中发生变异（并且不能在线程之间共享）。

ST monad和STRefs

ST monad是IO monad的受限表兄。

它允许任意可变状态，在机器上实现为实际的可变内存。 API在无副作用的程序中是安全的，因为rank-2类型参数防止依赖于可变状态的值逃避本地范围。

因此，它允许在其他纯程序中实现受控的可变性。

通常用于可变数组和其他变异的数据结构，然后被冻结。它也非常有效，因为可变状态是“硬件加速”。

主要API：

• Control.Monad.ST
• runST - 启动新的记忆效应计算。
• 和STRefs：指向（本地）可变细胞的指针。
• 基于ST的数组（例如vector）也很常见。

将其视为IO monad中较不危险的兄弟姐妹。或者IO，你只能读写内存。

IORef：IO中的STRefs

这些是IO monad中的STRef（见上文）。它们没有STRefs关于地点的安全保障。

MVars：带锁的IORef

与STRefs或IORefs类似，但附加了锁，以便从多个线程进行安全的并发访问。使用atomicModifyIORef（比较和交换原子操作）时，IORef和STRef在多线程设置中是安全的。 MVars是一种更安全地共享可变状态的更通用的机制。

通常，在Haskell中，使用MVars或TVars（基于STM的可变单元格），而不是STRef或IORef。

Answer 2

好的，我将从IORef开始。 IORef提供IO monad中可变的值。它只是对某些数据的引用，与任何引用一样，有些功能允许您更改它引用的数据。在Haskell中，所有这些函数都在IO中运行。您可以将其视为数据库，文件或其他外部数据存储 - 您可以在其中获取和设置数据，但这样做需要通过IO。 IO是必要的原因是因为Haskell 纯;编译器需要一种方法来知道参考在任何给定时间指向哪些数据（阅读sigfpe's "You could have invented monads"博文）。

除了两个非常重要的差异之外，

MVar与IORef基本相同。 MVar是一个并发原语，因此它设计用于从多个线程进行访问。第二个区别是MVar是一个可以满或空的框。因此，IORef Int始终具有Int（或底部），MVar Int可能有Int或者可能为空。如果一个线程试图从空MVar读取一个值，它将一直阻塞，直到MVar被另一个线程填充。基本上，MVar a等同于IORef (Maybe a)，其具有对并发有用的额外语义。

State是一个提供可变状态的monad，不一定是IO。实际上，它对纯计算特别有用。如果您的算法使用状态但不使用IO，则State monad通常是一种优雅的解决方案。

还有一个Monad变换器版本的状态StateT。这经常被用于保存程序配置数据或应用程序中的“游戏世界状态”类型的状态。

ST略有不同。 ST中的主要数据结构是STRef，它类似于IORef但具有不同的monad。 ST monad使用类型系统技巧（文档中提到的“状态线程”）来确保可变数据不能逃脱monad;也就是说，当你运行ST计算时，你会得到一个纯粹的结果。 ST很有趣的原因是它是一个像IO一样的原始monad，允许计算对字节数组和指针执行低级操作。这意味着ST可以在对可变数据使用低级操作时提供纯接口，这意味着它非常快。从程序的角度来看，就好像ST计算在一个带有线程本地存储的单独线程中运行。

Answer 3

其他人已经做了核心事情，但要回答直接问题：

  

所有这些都使得线型ENV = IORef [(String, IORef LispVal)]   混乱。为什么第二个IORef？什么   如果我改为type ENV = State [(String, LispVal)]会破裂吗？

Lisp是一种具有可变状态和词法范围的函数式语言。想象一下，你已经关闭了一个可变变量。现在你已经在其他函数中引用了这个变量 - 比如说（在haskell风格的伪代码中）(printIt, setIt) = let x = 5 in (\ () -> print x, \y -> set x y)。您现在有两个功能 - 一个打印x，一个设置其值。在评估printIt时，您希望在定义printIt的初始环境中查找x的名称，但是您要查找值该名称在printIt 被称为的环境中被绑定（setIt可能被多次调用之后）。

有两种方法可以让两个IORef这样做，但你确实需要的不仅仅是你提出的后一种类型，它不允许你以词法范围的方式改变名称绑定的值。谷歌是一个有趣的史前史的“funargs问题”。