状态与环境管理：Reader、Writer 与 State¶

核心操作¶

定义在 Control.Monad.Reader 中：

• ask :: Reader r r：取出完整的环境。

• asks :: (r -> a) -> Reader r a：通过投影函数从环境中取出某个字段。

• local :: (r -> r) -> Reader r a -> Reader r a：在某个局部计算内部临时修改环境。

• runReader :: Reader r a -> r -> a：传入具体环境，执行计算并返回结果。

在 GHCi 里 :t ask 看到的会是 ask :: MonadReader r m => m r，而不是上面写的 Reader r r。这是 mtl 的类型类风格签名，它对 Reader r 和下一章的 ReaderT r IO 都成立，本章先按具体类型理解即可。

示例：配置注入¶

import Control.Monad.Reader

data AppConfig = AppConfig
  { dbHost :: String
  , dbPort :: Int
  } deriving (Show)

connectDatabase :: Reader AppConfig String
connectDatabase = do
  host <- asks dbHost
  port <- asks dbPort
  return $ "成功连接至 " ++ host ++ ":" ++ show port

mainTask :: Reader AppConfig String
mainTask = do
  -- 局部临时覆盖端口
  testConn <- local (\cfg -> cfg { dbPort = 9999 }) connectDatabase
  realConn <- connectDatabase
  return $ "测试连接: " ++ testConn ++ " | 正式连接: " ++ realConn

ghci> runReader mainTask (AppConfig "localhost" 5432)
"测试连接: 成功连接至 localhost:9999 | 正式连接: 成功连接至 localhost:5432"

核心操作¶

定义在 Control.Monad.Writer 中：

• tell :: Monoid w => w -> Writer w ()：追加一段输出。

• runWriter :: Writer w a -> (a, w)：执行计算，返回 (结果, 累积的输出)。

示例：带执行日志的欧几里得算法¶

import Control.Monad.Writer

gcdWithLog :: Int -> Int -> Writer [String] Int
gcdWithLog a b
  | b == 0 = do
      tell ["到达终点，最大公约数为: " ++ show a]
      return a
  | otherwise = do
      tell [show a ++ " 对 " ++ show b ++ " 取模得到 " ++ show (a `mod` b)]
      gcdWithLog b (a `mod` b)

ghci> runWriter (gcdWithLog 21 14)
(7,["21 对 14 取模得到 7","14 对 7 取模得到 0","到达终点，最大公约数为: 7"])

核心操作¶

定义在 Control.Monad.State 中：

• get :: State s s：读取当前状态。

• gets :: (s -> a) -> State s a：从当前状态中取出某个投影。

• put :: s -> State s ()：用新状态替换当前状态。

• modify :: (s -> s) -> State s ()：用函数更新当前状态。

• state :: (s -> (a, s)) -> State s a：从状态转移函数构造 State。

• runState :: State s a -> s -> (a, s)：传入初始状态，返回 (结果, 最终状态)。

• evalState :: State s a -> s -> a：只取结果。

• execState :: State s a -> s -> s：只取最终状态。

示例：栈¶

import Control.Monad.State

type Stack = [Int]

-- 用 case 显式处理空栈，而不是在 do 块里写 (x:xs) <- get
pop :: State Stack (Maybe Int)
pop = do
  s <- get
  case s of
    []     -> return Nothing
    (x:xs) -> do
      put xs
      return (Just x)

push :: Int -> State Stack ()
push x = modify (x :)

stackDemo :: State Stack (Maybe Int)
stackDemo = do
  push 10
  push 20
  mA <- pop
  mB <- pop
  case (mA, mB) of
    (Just a, Just b) -> do
      push (a + b)
      pop
    _ -> return Nothing

在 GHCi 中验证：

ghci> runState stackDemo []
(Just 30,[])
ghci> evalState stackDemo []
Just 30

下图按执行顺序列出 stackDemo 每一步之后的栈内容，以及这一步在 do 块中绑定到的返回值：

        graph LR
  S0["初始栈<br/>[]"] -- "push 10<br/>返回 ()" --> S1["[10]"]
  S1 -- "push 20<br/>返回 ()" --> S2["[20, 10]"]
  S2 -- "pop<br/>mA = Just 20" --> S3["[10]"]
  S3 -- "pop<br/>mB = Just 10" --> S4["[]"]
  S4 -- "push 30<br/>返回 ()" --> S5["[30]"]
  S5 -- "pop<br/>结果 Just 30" --> S6["最终栈<br/>[]"]
    

每个箭头就是一次状态转移函数 s -> (a, s) 的应用，>>= 负责把上一步产出的新状态传给下一步。