入門 StateTモナド

初めに

この記事は、Haskell初心者がStateTモナドに試行錯誤する記事です
生暖かい目で見守っていただければ幸いです。

方針

出発点である状態付き計算から、1つ1つ段階を踏んで考えていきたいと思います。

例題

Lisp構文チェッカを設定します。
構文チェッカといっても括弧の位置、向き、数だけで構文木の中身は一切触れません。
これを例に段階を踏んで進めていきます。

#1 再帰による引き回し

'(' を +1 、 ')' を -1 と設定し、値が常に0以上かつ最後に0であれば括弧は正しい、という形で実装します。

checkParent1.hs

checkParent :: Int -> String -> Bool
checkParent s "" =
  if (s == 0)
    then True
    else False
checkParent s (x:xs) =
  if (s >= 0)
    then
      case x of
        '(' -> checkParent (s + 1) xs
        ')' -> checkParent (s - 1) xs
        _ -> checkParent s xs
    else False

checkParent 0 "(aaa (bbb ccc))"
-- => True

このように、Haskellにおいてただ状態を持ちたい、というだけなら一応はモナドなしでも可能です。
しかし、1つでも引数が増えると、引き回しではとても手に負えなくなってしまいます。
そこで出てくるのがStateモナドです。

#2 Stateモナド

その1

checkParentS.hs

type StateData = (String, Int)

checkParentS :: State StateData Bool
checkParentS = do
  (str, s) <- get
  if str == ""
    then
      if s == 0
        then return True
        else return False
    else do
      let (x:xs) = str
      case x of
        '(' -> put (xs, s+1)
        ')' -> put (xs, s-1)
        _ -> put (xs, s)
      checkParentS

runState checkParentS  ("(aaa (bbb ccc))", 0)
-- => (True,("",0))

引き回しver. から直訳しました。
ただ、これだけでは違いがわかりにくいので、文字数のカウントも加えてみます。

その2

checkParentS2.hs

type StateData2  = (String, Int, Int)

checkParentS2 :: State StateData2 Bool
checkParentS2 = do
  (str, s, count) <- get
  if str == ""
    then
      if s == 0
        then return True
        else return False
    else do
      let (x:xs) = str
      case x of
        '(' -> put (xs, s+1, count+1)
        ')' -> put (xs, s-1, count+1)
        _ -> put (xs, s, count+1)
      checkParentS2

runState checkParentS2 ("(aaa (bbb ccc))", 0, 0)
-- => (True,("",0,15))

引き回しと違って、引数を増やすこともなく簡単にパラメータを増やせました。
さらに複雑になったとしても、StateDataのデータ構造を変更するだけで、簡単に対応できるでしょう。

#3 IO処理を加える

構文チェッカなので、ログの書き出し機能を加えます。

checkParentS3.hs

checkParentS3 :: State StateData2 IO Bool
checkParentS3 = do
-- 以下省略

‘State’ is applied to too many type arguments
In the type signature for ‘checkParentS3’:
checkParentS3 :: State StateData2 IO Bool

どうやらStateモナド内でIOモナドは扱えないようです。
ここで出てくるのがStateTモナドです。

#4 StateTモナド

checkParentST.hs

checkParentST :: StateT StateData2 IO Bool
checkParentST = do
  (str, s, count) <- get
  if str == ""
    then
      do
        lift $ writeFile "log.txt" $ (show count) ++ " characters"
        if s == 0
          then return True
          else return False
    else do
      let (x:xs) = str
      case x of
        '(' -> put (xs, s+1, count+1)
        ')' -> put (xs, s-1, count+1)
        _ -> put (xs, s, count+1)
      checkParentST

runStateT checkParentST ("(aaa (bbb ccc))", 0, 0)
-- => (True,("",0,15))

'T'を加えてlift関数を用いるだけで、IO処理をStateモナド内に簡単に書けました。

結論

StateTモナドとは、Stateモナド内において、IOを行える、則ちモナドを扱えるようにしたものである。

最後に

Hakell初心者なので、ここが間違っているとか、何かあったらコメントしていただけると幸いです。

参考文献

• Haskell モナド変換子 超入門