列出来自 IO 的第一个值

Question

我创建了一个无限列表，它的第一个元素需要一些时间才能生成：

slowOne = do
  threadDelay (10 ^ 6)
  return 1

infiniteInts :: [IO Integer]
infiniteInts = loop slowOne
where
  loop :: IO Integer -> [IO Integer]
  loop ioInt = ioInt : loop (fmap (+1) ioInt)

当我打印列表时，我可以观察到不仅在第一个元素而且在所有个元素发生的延迟：

main =
  mapM_
      (\ioInt -> do
        i <- ioInt
        print i
      )
    infiniteInts

我正在努力提高我对 IO 的直觉：为什么每个元素都有延迟，而不仅仅是 slowOne 生成的第一个元素？

Answer 1

警告：

关于运行ning 表达式，此答案不正确。请先参考以更好地理解此 IO 值列表的工作原理。

我们可以通过

来理解这种行为

重写递归函数
记住 GHC doesn't cache results from IO

这里重写了 infiniteInts 以获得不同数量的元素：

获取一个元素

slowOne : loop (fmap (+1) slowOne)

由于 Haskell 的 : 运算符是非严格的，我们运行 slowOne 一次 → 这需要一秒钟。

获取两个元素

slowOne : (fmap (+1) slowOne) : loop (fmap (+1) (fmap (+1) slowOne))

取两个元素（直到第二个 :）导致 slowOne 被调用两次 → 这需要两秒钟。

获取三个元素

slowOne : (fmap (+1) slowOne) : (fmap (+1) (fmap (+1) slowOne)) : loop (fmap (+1) (fmap (+1) (fmap (+1) slowOne)))

取三个元素（直到第三个 :）导致 slowOne 被调用三次 → 这需要三秒钟。

总结

从重写中我们可以看到 slowOne 为每个元素调用（例如，三个元素调用三次）并且假设 GHC 不会缓存在 IO 内部创建的结果（slowOne) 因此每个元素都需要一秒钟的时间来创建。

Answer 2

每个号码都有延迟，因为它们都来自 slowOne。考虑你的 loop:

loop ioInt = ioInt : loop (fmap (+1) ioInt)
     ^----This is slowOne              ^
                                       └----This is also slowOne

我对你的 fmap 正在做什么的直觉只是作用于 IO 值（IO Integer 中的 Integer），但保留其所有上下文（ "IO" 部分）完好无损。

正如 Will Ness 评论的那样：

fmap (1+) takes an IO value (a pure value of type IO t for some t) which describes I/O action that will return a pure value x :: t when that action will run; and creates a new pure IO value describing an augmented I/O action that will return the pure value x+1 after performing the I/O actions as described by the first IO value.

例如，我们可以用另一个函数 timedOne:

替换 slowOne

timedOne = do
  time <- getPOSIXTime
  putStrLn $ "time: " ++ show time
  return 1

用 timedOne 而不是 slowOne 调用 loop 会打印出来，显示 fmap 如何在不影响上下文的情况下影响值：

time: 1583715559.051068s
1
time: 1583715559.051705s
2
time: 1583715559.052311s
3
... and so on

你看每个被使用的号码，仍然携带着自己的IO "baggage"，只是这次行李是"get the time from the system clock and print it out"。如果要更改此行为以便仅延迟第一个数字，则需要清除 loop 构建的列表的尾部任何线程延迟 IO 包袱。一种方法是使用纯列表并将每个元素包装在 IO:

loop ioInt = ioInt : (return <$> [2..])

Answer 3

我不确定你的直觉（正如你在自己写的 to this question) is all that accurate. Let me try to give you some better intuition. You may also find 中描述的那样很有帮助，尽管那里的问题完全不同。

在 Haskell 中，类型 IO a 的值（对于任何类型 a，因此 IO Int 或 IO String 或其他）有时是称为 "IO action"，但正如@WillNess 在评论中提到的，最好将其视为 "IO recipe"。对于这些配方，我们认为 "evaluation" 和 "execution" 是完全独立的操作。评估类型的表达式IO a就像写下食谱。评估类型IO Int的表达式的结果是类型IO Int的值。生成此值不会执行任何 I/O 并且无需花费任何时间，即使基础 I/O 涉及延迟或其他缓慢的操作。这个评估的 IO a 值可以传递、存储、复制、修改、与其他 IO 配方结合，或者完全忽略，所有这些都不需要执行任何实际的 I/O.

相比之下，执行生成的配方是实际执行I/O操作的过程。执行一个IO Int的结果是一个Int。如果涉及 20 分钟的延迟、文件访问、and/or 信鸽申请以获得 Int，操作将需要一段时间。如果您执行相同的食谱两次，第二次它不会更快。

我们在 Haskell 中编写的几乎所有代码都会评估 IO 配方而不执行它们。

当代码：

slowOne = do
  threadDelay (10 ^ 6)
  return 1

是运行，它实际上只是评估（写下）一个IO配方。评估这个配方显然涉及评估一个 do-block。这不会做 I/O；它只是评估（写下）do-block 中的每个配方，并将它们组合成一个更大的书面配方。

具体来说，评估 slowOne 涉及：

正在评估配方 threadDelay (10 ^ 6)。这涉及计算算术表达式 10 ^ 6 并对其调用函数 threadDelay。该函数实现（对于非线程运行时间）为：
```
 threadDelay :: Int -> IO ()
 threadDelay time = IO $ \s -> some_function_of_s
```
也就是说，它将一个函数包装在一个 IO 构造函数中以产生一个 IO () 类型的值。至关重要的是，它实际上并没有延迟线程。它只是创建一个（包装的）功能值。顺便说一句，IO 构造函数并没有什么神奇之处。这个 threadDelay 函数类似于编写同样非魔法的：
```
 justAFunction :: Int -> Maybe (Int -> Int)
 justAFunction c = Just (\x -> c*x)
```
正在评估配方 return 1。这也只是创建一个包装在 IO 构造函数中的值。具体来说，它是（包装且完全非魔法的）功能值，看起来像：
```
 IO (\s -> (s, 1))
```
将这两个评估的配方按顺序组合成一个更长的配方。这个新的组合配方是类型 IO Int 的值，将分配给 slowOne.

类似地，当对下面的代码求值时：

infiniteInts :: [IO Integer]
infiniteInts = loop slowOne
  where
    loop :: IO Integer -> [IO Integer]
    loop ioInt = ioInt : loop (fmap (+1) ioInt)

您没有执行任何 IO。您只是在评估 IO 配方和包含 IO 配方的数据结构。具体来说，您正在将此表达式计算为 [IO Integer] 类型的值，该值由 IO Integer values/recipes 的无限列表组成。列表中的第一个食谱是 slowOne。列表中的第二个食谱是：

fmap (+1) slowOne

这需要一个词的解释。评估此表达式时，它会构造一个新配方，该配方可以使用等效的 do 块编写：

fmap_plus_one_of_slowOne = do
  x <- slowOne
  return (x + 1)

鉴于 slowOne 的定义方式，这实际上等同于我们通过评估得到的独立配方：

fmap_plus_one_of_slowOne = do
  threadDelay (10 ^ 6)
  return 2

同样，列表中的第三个食谱：

fmap (+1) (fmap (+1) slowOne)

相当于配方的计算结果：

fmap_plus_one_of_fmap_plus_one_of_slowOne = do
  threadDelay (10 ^ 6)
  return 3

现在，您程序的最后一部分是：

mapM_
    (\ioInt -> do
      i <- ioInt
      print i
    )
  infiniteInts

您可能会惊讶地听到，在评估此代码时，我们仍然只是评估而不是正在执行 食谱。评估此 mapM_ 函数时，它会构建一个新配方。它构建的配方可以用文字描述为：

"Take each recipe in the list infiniteInts. Sorry about the bad choice of name -- this isn't a list of integers, but a list of IO recipes for making integers. It's a good thing you're a computer and won't get confused by this, huh? Anyway, take each of those recipes in sequence and pass them to this function I have here to generate a new recipe. Then, run that list of recipes in order. You're writing this down, right? Stop, don't execute anything yet! Just write it down!"

那么，让我们回顾一下：

slowOne是食谱
```
do threadDelay (10 ^ 6)
   return 1
```
fmap (+1) slowOne与方子相同：
```
do threadDelay (10 ^ 6)
   return 2
```
同样，fmap (+1) (fmap (+1) slowOne)真的只是食谱
```
do threadDelay (10 ^ 6)
   return 3
```
等等

因此，infiniteInts 是食谱列表：

infiniteInts =
  [ do { threadDelay (10 ^ 6); return 1 }
  , do { threadDelay (10 ^ 6); return 2 }
  , do { threadDelay (10 ^ 6); return 3 }
  , ... ]

鉴于 mapM_ ... 秘诀的含义，如果 Haskell 允许无限长的程序，我们可以从头开始编写整个秘诀，如下所示：

do   -- first recipe
     threadDelay (10 ^ 6)
     i <- return 1
     print i

     -- second recipe
     threadDelay (10 ^ 6)
     i <- return 2
     print i

     -- third recipe
     threadDelay (10 ^ 6)
     i <- return 3
     print i

     -- etc.

这是计算 mapM_ ... 表达式的结果。

然后，最后，我们到达 程序的唯一部分 执行 IO 配方，而不是简单地评估它。那部分是：

main = ...

当您将食谱命名为 main 时，您告诉 Haskell 在程序为运行时执行它。从分配给 main 的配方的评估值可以看出，它是一个包含交错 threadDelay 和 print 配方的组合配方，因此当它被执行时，它会打印一个递增的在每个整数之前都有延迟的整数列表。

关于懒惰与严格的说明...懒惰在上述过程中没有任何作用（好吧，除了允许我们在不锁定机器的情况下构造无限列表）。当我在上面说 "evaluate" 时，无论评估是否严格并立即发生，或者评估在技术上延迟到需要时，都没有区别。需要它的时间点可能是在它被执行的时候，但是评估（编写配方）和执行（遵循配方）仍然是不同的过程，即使它们发生在一个正确的位置一个接着一个。

列出来自 IO 的第一个值

List with first value from IO

io

monads

haskell

io-monad

警告：

获取一个元素

获取两个元素

获取三个元素

总结