Python：以函数式编程风格编写文件

Question

我们应该如何用 Python 编写文件，同时保持功能纯粹？通常我会做这样的事情

from typing import Iterable
from io import IOBase


def transform_input(input_lines: Iterable[str]) -> Iterable[str]: ...


def print_pack(input_lines: Iterable[str], output: IOBase) -> None:
    for line in input_lines:
        print(line, file=output)


def main(*args, **kwargs):
    # Somehow we get a bunch iterables with strings and a list of output streams
    packs_of_input = ... # Iterable[Iterable[str]]
    output_streams = ... # Iterable[IOBase]
    packs_to_print = map(transform_input, packs_of_input)
    for pack, output_stream in zip(packs_to_print, output_streams):
        print_pack(pack, output_stream)

我们可以for用这样的东西替换 -loop

list(map(lambda pack_stream: print_pack(*pack_stream), zip(packs_to_print, output_streams))

但这只会让打印看起来像是功能性完成的。问题是这print_pack不是一个纯函数，它的所有努力都会产生副作用并且什么也不返回。我们应该如何编写文件并保持功能纯（或几乎纯）？

Answer 1

本质上，在Python中，你需要在某个地方有一个不纯的函数，所以在这个应用程序中没有办法拥有100%的纯函数。最后还需要做一些IO，而IO是不纯粹的。

然而，您可以做的是尝试将应用程序中的特定抽象层表示为纯函数，并隔离另一个模块中产生实际副作用的部分。您可以通过一种特殊的方式非常轻松地完成此操作，例如，通过在主代码中将要写入的文件的内容累积为纯不可变数据结构。然后，您的副作用代码的大小就可以减小，因为它所需要做的就是将字符串转储到文件中。

我们可以向 Haskell 寻求一种更严格的方法，用纯函数和数据结构来纯粹地表示副作用操作的全部威力——使用 Monad 抽象。本质上，Monad 是您可以绑定回调的东西，以创建一系列基于纯函数的有效计算。对于 IO monad，一旦您从函数返回 IO 值，Haskell 运行时就会负责实际执行副作用main——因此您编写的所有代码在技术上都是纯函数，并且运行时会负责 IO。

Effect库（免责声明：我写的）基本上在 Python 中实现了某种风格的 Monad（或非常接近 monad 的东西）。这使您可以将任意 IO（和其他副作用）表示为纯对象和函数，并将这些效果的实际性能放在一边。因此，只要您拥有一种相对简单的副作用函数库，您的应用程序代码就可以是 100% 纯净的。

因此，例如，要实现一个使用 Effects 将行列表写入文件的函数，您需要执行以下操作：

@do
def write_lines_to_file(lines, filename):
    file_handle = yield open_file(filename)
    for line in lines:
        yield write_data(file_handle, line)
    # alternatively:
    # from effect.fold import sequence; from functools import partial
    # yield sequence(map(partial(write_data, file_handle), lines))
    yield close_file(file_handle)

Effect 库提供了这个特殊的do装饰器，让您可以使用命令式语法来描述纯粹有效的操作。上面的函数与这个函数等效：

def write_lines_to_file(lines, filename):
    file_handle_eff = open_file(filename).on(
        lambda file_handle:
            sequence(map(partial(write_data, file_handle), lines)).on(
                lambda _: close_file(file_handle)))

它们都假设存在三个函数：open_file、write_data 和 close_file。假定这些函数返回 Effect 对象，这些对象表示执行这些操作的意图。最后，效果本质上是一种意图（对所请求的操作的一些透明描述），以及当该操作的结果完成时要运行的一个或多个回调。有趣的区别是 write_lines_to_file实际上并不将行写入文件；而是将行写入到文件中。它只是返回一些表示将某些行写入文件的意图。

要实际执行此效果，您需要使用该sync_perform函数，例如sync_perform(dispatcher, write_lines_to_file(lines, filename)). 这是一个不纯的函数，它实际上运行执行者以实现有效计算的纯表​​示所使用的所有效果。

我可以详细介绍如何实现 open_file、write_data 和 close_file，以及“dispatcher”参数的详细信息，但实际上https://effect.readthedocs.org/上的文档可能是此时可以参考的正确内容。

我还在 Strange Loop 上发表了关于 Effect 及其实现的演讲，您可以在 YouTube 上观看：https://www.youtube.com/watch? v=D37dc9EoFus

值得注意的是，Effect 是一种保持代码纯粹功能性的相当严厉的方法。通过采用“功能核心/命令式 shell”方法并尽力将大部分代码编写为纯函数并最小化有效代码，您可以在实现可维护代码方面取得长足进步。但如果您对更严格的方法感兴趣，我认为 Effect 很好。我的团队在生产中使用它，它提供了很多帮助，尤其是它的测试 API。