Monad in Rust 不是好文明

声明：本文全属口嗨。

群友又在讨论在Rust中搞Monad了。于是写下了自己一些想法。

洋葱结构是Rust中十分常见的类型嵌套结构。洋葱结构即effect序列：类型T1<T2<T3<...Tn<A>...>>表示带有effect序列T1, T2, T3, ...,Tn的A类型的计算。

如果有Tn: Foo满足结合律^[1]且有单位effectimpl<A> Once<A> for Foo { type Output = A; ... }，则Foo是个Monad。

但由于lifetime只能由“洋葱”的外侧传到内侧，外层的（左边的）的effect依赖内层的（右边的）effect。

type Effects<'a, A:'a> = T1<    T2<    T3<...    Tn<  A  >...>>;
//                        |'a ^  |'a ^  |'a ^ ... |'a ^ 
//                        |   |  |   |  |   |     |   |
//                        +---+  +---+  +---+     +---+

所以在T1<T2<T3<...Tn<A>...>>非'static的情况下，只有右结合而没有左结合（外层的effect不能独立存在）。没有结合律就谈不上Monad了。

左结合出问题的情况，最常见的情况是在使用组合子式API时出现的lifetime问题。

x
struct A;
future::ready(()).then(|_| { 
    let a = A;
    let p = &a;
    foo().map(move |res| {
        println!("{:p}", p);
        res
    }) // 实际上 Then的闭包返回了局部变量的引用
});
​
// 其effect结构大概是
type Effect = Then<Map<foo<...>>>
//              ^'a |
//              |   | Map捕获了Then中的p，逻辑上造成了“自引用”。
//              +---+

其本质就是左结合导致的自引用的问题（破坏了lifetime的传递规则，使内层依赖外层），这时无法通过组合子式的API来解决。这时候就需要手动将两个effect合并到一个结构里，并Pin起来。async-await便是编译器帮你自动完成该工作的一个语法糖。

xxxxxxxxxx
struct A;
async {
    let a = A;
    let p = &a;
    let res = foo().await;
    println!("{:p}", p);
    res
}

• self不带Pin的根本连手动左结合都做不到，指Iterator。
• 想要callback式的future提供不了组合子式的API，因为依赖全被倒置了，造不出洋葱。

其实不应该说“不满足结合律”，而是有些需要左结合的 类型 其 项 根本不合法。这就大大限制了Monad在Rust的应用面（又没有通用的do，自动自引用）。不过Rust自带控制流和side-effect不香吗，future还有async-await的语法糖，干嘛非得搞组合子呢。噢对了，还有一个解决方向，就是提倡无lifetime编程（这是可以做到的）。

于是，由于lifetime的存在，Monad in Rust确实不是好文明。（但Functor是）

[1]: 结合律不知道在洋葱层面如何表达。但impl<In: Foo> Tn<In> for Foo { type Output = In::Output; ... }应该天然表示右结合。或许trait FooFamily { type Foos<A>: Foo<Output = A> ...}可以表达左结合？

不过用flat_map之类的可以表示结合律：

xxxxxxxxxx
eff.flat_map(f).flat_map(g).run() == eff.flat_map(|x| f(x).flat_map(g)).run()
//       右结合                                   左结合