小談F#與Functional Reactive Programming
本文是老趙在其博客上對F#的又一篇總結，這次講解的是Functional Reactive Programming相關的一個練習。
最近我們搞了一些把事件當作對象方面的工作。基于事件的編程再常見不過了，尤其是在和UI相關的WinForm，WPF，Silverlight開發方面。把事件作為一等公民看待之后，我們可以實現一些較為“特別”的編程模型，例如Functional Reactive Programming。這是一種較為優雅的基于事件的處理方式，適合一些如交互式動畫，自動控制方面的工作。即使平時不太常見，我想作為一個“嘗試”或“練習”也是非常合適的。
我是通過F#而了解“事件即對象”以及FRP的相關內容的，而微軟的Matthew Podwysocki最近一直在博客上撰寫的一系列關于F#事件的文章也給了我很多信息。F#便直接體現了“事件即對象”的概念，它會把.NET類庫中的事件轉化成IEvent對象，然后便可以對其進行編程。IEvent對象是F#中表示“事件”的標準類型，它的最關鍵的成員是Add方法，如果使用C#來表示便是：
- public interface IEvent<TEventArgs>
- {
- void Add(Action<TEventArgs> callback);
- }
當然，其實F#的事件并沒有那么簡單，不過我們目前只需要關注至此即可（更詳細的信息您可以關注Matthew的文章或Anders Cui同學的中文版）。Add方法是為這個事件添加一個回調函數，它自然會在事件觸發時被調用。而傳入的參數，您可看作是C#中事件的EventArgs對象（即第二個參數）。有了IEvent對象，在F#中便可以使用各種方式來響應一個事件。例如：
- #light
- open System
- open System.Windows.Forms
- let form = new Form(Visible = true, TopMost = true, Text =
- form.MouseDown
- |> Event.map (fun args -> (args.X, args.Y))
- |> Event.filter (fun (x, y) -> x > 100 && y > 100)
- |> Event.listen (fun (x, y) -> printfn "(%d, %d)" x y)
Event.map方法會接受一個IEvent對象，以及一個用于轉換事件參數的高階函數，并返回一個新的事件對象。用戶可以監聽這個新事件。當原有事件觸發時，它的事件參數將被高階函數轉化為新的對象，并以此出發新的事件。F#可以使用|>符號來改變參數傳遞的順序，這樣代碼可以編寫得更為流暢。例如下面兩行F#代碼其實是等價的：
- Console.WriteLine "Hello World"
- "Hello World" |> Console.WriteLine
Event.filter的作用是對事件進行過濾，只有在原事件觸發時，其事件參數滿足某個條件，才會觸發新的事件對象。Event.listen則是簡單的調用IEvent對象的Add方法，它只是一個輔助函數。
F#的Event模塊還有其他一些方法，例如：
- let form = new Form(Visible = true, TopMost = true, Text = "Event Sample")
- form.MouseDown
- |> Event.choose (fun args ->
- if args.X > 100 && args.Y > 100 then Some(args.X, args.Y)
- else None)
- |> Event.listen (fun (x, y) -> printfn "(%d, %d)" x y)
Event.choose方法組合了Event.filter和Event.map，即在轉化的同時可進行過濾。只有在高接函數的返回值為Some(args)而不是None的時候，才把args作為下一個事件的參數進行觸發。還有：
- let form = new Form(Visible = true, TopMost = true, Text = "Event Sample")
- form.MouseDown
- |> Event.merge form.MouseMove
- |> Event.filter (fun args -> args.Button = MouseButtons.Left)
- |> Event.map (fun args -> (args.X, args.Y))
- |> Event.listen (fun (x, y) -> printfn "(%d, %d)" x y)
Event.merge方法的作用是合并兩個（參數相同的）事件。當其中任意一個事件觸發時，則會觸發新的事件對象。此外：
- let form = new Form(Visible = true, TopMost = true, Text = "Event Sample")
- let (overEvent, underEvent) =
- form.MouseMove
- |> Event.merge form.MouseDown
- |> Event.filter (fun args -> args.Button = MouseButtons.Left)
- |> Event.map (fun args -> (args.X, args.Y))
- |> Event.partition (fun (x, y) -> x > 100 && y > 100)
- overEvent |> Event.listen (fun (x, y) -> printfn "Over (%d, %d)" x y)
- underEvent |> Event.listen (fun (x, y) -> printfn "Under (%d, %d)" x y)
Event.partition方法的作用是把原有事件拆分為兩個，并在原有事件被觸發時，根據高階函數的返回值來決定觸發哪一個新事件。
以上這些都是Matthew在博客中已經介紹過的內容。不過我認為，Event模塊下還有兩個方法值得一提，那就是Event.pairwise和Event.scan。請看下面的代碼：
- let (trigger : (int -> unit), event) = Event.create()
- event
- |> Event.pairwise
- |> Event.listen (fun (x, y) -> printfn "%d + %d = %d" x y (x + y))
- [1..10] |> Seq.iter trigger // 使用1到10依次調用trigger
Event.create方法將創建一個事件對象，返回這個事件以及它的觸發器。Event.pairwise會根據IEvent<T>對象返回一個IEvent<(T, T)>對象——(T, T)是一個元組，當然在C#中沒有這個語言特性時，我們可以使用IEvent<T[]>來代替。當我們使用***次trigger方法來觸發event事件時，新的事件對象并不會觸發。直到第二次及以后觸發event事件時，才會把上一次的事件參數和目前的事件參數“合并”，并以此來觸發新的事件。因此，上面的代碼會輸出以下內容：
- 1 + 2 = 3
- 2 + 3 = 5
- 3 + 4 = 7
- 4 + 5 = 9
- 5 + 6 = 11
- 6 + 7 = 13
- 7 + 8 = 15
- 8 + 9 = 17
- 9 + 10 = 19
而Event.scan方法則可以這樣使用：
- let (trigger : (int -> unit), event) = Event.create()
- event
- |> Event.scan (fun acc i -> acc + i) 0
- |> Event.listen (printfn "%d")
- [1..10] |> Seq.iter trigger
Event.scan方法會維護一個累加器（acc），在上面的代碼中其初始值為0，每次event事件觸發時，則會通過高階函數，把事件參數計算到當前的累加器中得到新的值，并根據新的值觸發新事件。因此上面的代碼會輸出一下內容（不包括注釋）：
- 1 // +1
- 3 // +2
- 6 // +3
- 10 // ...
- 15
- 21
- 28
- 36
- 45
- 55
自然，Event.pairwise和Event.scan方法得到的新對象都是有side effect的，需要考慮線程安全的問題。F#的類庫不保證事件觸發時的線程安全，于是事件在使用或觸發時需要自行進行控制。
好，那么這次的“趣味編程”就產生了，您能否設計并實現一套類庫，為C#語言提供這樣一個類似的功能呢？您需要實現以下7種功能：
◆map
◆filter
◆choose
◆merge
◆partition
◆pairware
◆scan
有些朋友可能會想，為什么不直接使用C#來調用F#的類庫呢？原因是“不合適”。F#的類庫設計遵循了F#的語言特性，而且如前面所講，F#本身會對.NET的事件進行一定轉變。此外，為C#實現一個合適的API也是個很好的實踐過程。例如，這又是一個適合擴展方法特性的場景。在我看來，***的API應該是這樣使用的：
- someEvent
- .Map(args => new { args.X, args.Y })
- .Filter(args => args.X + args.Y > 100)
- .Scan(0, (acc, args) => acc + args.X, args.Y)
- .Add(args => Console.WriteLine(args));
老趙介紹的這個Functional Reactive Programming的練習，您也試試看？
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