State，ST，IORef和MVar之間的差異

Question

我正在通過Write Yourself a Scheme in 48 Hours（我達到約85小時）工作，我已經開始了關於Adding Variables and Assignments的部分。這一章有一個很大的概念上的跳躍，我希望它在兩個步驟中完成了重構，而不是直接跳到最後的解決方案。無論如何...

我已經迷失了許多不同的類似乎服務於相同的目的：State,ST,IORef和MVar。文中提到了前三個，而最後一個似乎是關於前三個StackOverflow問題的回答。它們似乎都在連續的調用之間進行狀態。

這些都是什麼，它們又有什麼不同？

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特別是這些句子是沒有意義的：

相反，我們使用了一個名爲狀態的線程功能，讓哈斯克爾管理聚集狀態對我們來說。這讓我們可以像使用其他編程語言那樣處理可變變量，使用函數來獲取或設置變量。

和

的IOREF模塊，您可以使用狀態變量的IO單子內。

這一切都使得行混淆 - 爲什麼第二個IORef？如果我會寫type ENV = State [(String, LispVal)]，會發生什麼？

Answer 1

國家單子：可變狀態的模型

國家單子是與國家計劃純粹的功能性的環境，用一個簡單的API：

• 得到
• 把

the mtl package的文檔。

狀態monad通常用於在單個控制線程中需要狀態。它在實現中實際上並不使用可變狀態。相反，程序由狀態值參數化（即狀態是所有計算的附加參數）。該狀態似乎只在單個線程中發生變化（並且不能在線程之間共享）。

的ST單子和STRefs

的ST單子是IO單子的受限表親。

它允許任意可變狀態，實現爲機器上的實際可變內存。由於rank-2類型參數阻止取決於可變狀態的值逃離本地作用域，因此API在無副作用程序中變得安全。

因此它允許在純粹的程序中控制可變性。

通常用於可變數組和其他變異的數據結構，然後凍結。這也是非常有效的，因爲可變狀態是「硬件加速」。

主要API：

• Control.Monad.ST
• runST - 開始一個新的記憶效應計算。
• 和STRefs：指向（局部）可變單元的指針。
• 基於ST的陣列（如矢量）也很常見。

認爲它是IO單子的危險性較低的兄弟姐妹。或者IO，在那裏你只能讀寫內存。

IOREF：STRefs在IO

這些是STRefs（見上文）在IO單子。他們沒有STRefs關於地方的安全保證。

MVars：用鎖

像STRefs或IORefs，但附有一把鎖，從多個線程安全併發訪問IORefs。使用atomicModifyIORef（比較和交換原子操作）時，IORefs和STRefs在多線程設置中僅是安全的。 MVars是安全共享可變狀態的更一般的機制。

通常，在Haskell中，通過STRef或IORef使用MVars或TVars（基於STM的可變單元格）。

Answer 2

好吧，我將從IORef開始。 IORef提供了一個在IO monad中可變的值。它只是對某些數據的引用，並且與任何引用一樣，都有一些函數允許您更改其引用的數據。在Haskell中，所有這些函數都在IO中運行。你可以把它想象成一個數據庫，文件或其他外部數據存儲 - 你可以獲取和設置數據，但這樣做需要通過IO。 IO完全有必要的原因是因爲Haskell是純粹的;編譯器需要一種方法來了解在任何給定時間參考指向的數據（閱讀sigfpe's "You could have invented monads" blogpost）。

MVar s與IORef基本相同，除了兩個非常重要的區別。 MVar是一個併發原語，因此它被設計用於從多個線程訪問。第二個區別是MVar是一個可以是滿的或空的盒子。因此，IORef Int總是有Int（或底部），MVar Int可能有Int或它可能爲空。如果一個線程試圖從一個空的MVar讀取一個值，它將會阻塞直到MVar被填充（被另一個線程填充）。基本上，MVar a相當於IORef (Maybe a)，它具有對併發有用的額外語義。

State是一個monad，它提供可變狀態，不一定與IO。事實上，它對純粹的計算特別有用。如果您有一個使用狀態但不是IO的算法，則State monad通常是一個優雅的解決方案。

還有一個monad變壓器版本的狀態，StateT。這經常用於保存應用程序中的程序配置數據或「遊戲世界狀態」類型的狀態。

ST略有不同。 ST中的主要數據結構是STRef，它與IORef類似，但具有不同的monad。 monad使用類型系統欺騙（「狀態線程」文檔提到）來確保可變數據無法轉義monad;也就是說，當你運行ST計算時，你會得到一個純粹的結果。 ST很有趣的原因是它是一個像IO這樣的原始monad，允許計算對bytearrays和指針執行低級操作。這意味着ST可以在對可變數據使用低級操作時提供純粹的接口，這意味着它非常快速。從程序的角度來看，就好像ST計算在帶有線程本地存儲的單獨線程中運行。

Answer 3

其他人也做了核心的東西，而是要回答這個直接的問題：

這一切使得線型ENV = IORef [(String, IORef LispVal)] 混亂。爲什麼第二個IORef？如果我做的是type ENV = State [(String, LispVal)]， 會破壞什麼？

Lisp是一種具有可變狀態和詞法範圍的函數式語言。想象一下你已經關閉了一個可變變量。現在你已經有了一個引用這個變量的函數 - 例如（在haskell風格的僞代碼中）(printIt, setIt) = let x = 5 in (\() -> print x, \y -> set x y)。你現在有兩個功能 - 一個打印x，一個設置它的值。當你評估printIt，你要查找的名在其中printIt定義初始環境x的，但你要查找的值這個名字在其中printIt是稱爲環境勢必（之後setIt可能已被調用任意次數）。

有兩種方法可以讓兩個IORefs做到這一點，但你肯定需要的不僅僅是你提出的後一種類型，它不允許你改變名稱以詞法作用域方式綁定的值。谷歌的「funargs問題」爲很多有趣的史前史。