最近拿 Haskell 亲身实践了一段时间,这篇文章总结了我的一些心得体会。

为什么又是 Haskell?

是的,我之前学过 Haskell,并且对里面的概念也比较熟悉了。Monoid? Monad? Traversable? Foldable? Quantified constraints? Data kinds? Rank N types? Type families?…… 这些名字我不说非常熟悉,至少都碰到并且用过了。其实 Haskell 一直被我用来做一些比较理论性的小试验。(不过 Haskell 一直没有真正的依赖类型,所以有时候我还是会用 Coq。)对很多人来说,学习 Haskell 到这里就足够了,毕竟很多人真的认为 Haskell 就是用来学习的,“不会真有人写 Haskell 吧?”

另一方面,我始终对我手上的工具不甚满意。在这次实践之前,我个人(不含特殊需求)最常用的编程语言有 C++, Python 和 Rust。(Emacs 配置会用到 Emacs Lisp,不过我写得也不多。)

  1. C++ 被我用来做和操作系统和硬件关系比较密切的实验,比如内存模型。还用来写一些数据结构(毕竟在 Rust 里写没什么收益,还要加上很多 unsafe 标记)。
  2. Python 用来写脚本。对我来说,这包括任何复杂的 shell 脚本,还有和网络相关的。另外我还把 Python 当作计算器,还用来快速做出原型并进行概念验证。
  3. 除了上面提到的,其他任何需求我都首选 Rust。

所以我的主要工作语言是 Rust 和 Python。对多数人来说,这个组合可能足够好了,但我始终感觉有痒点没有解决。

  1. Rust 在各种意义上来讲都过于 “重量级”。要使用第三方 crate?先开一个新项目。不过这一痛点已经有 cargo play 等项目缓解了。最大的痛点是,Rust 代码太 "noisy": 很明显的东西必须要写出来,写出来就算了,还很难组合。而且 Rust 会给人一种非常大的考虑内存占用、计算开销的心理压力,这常常让我犯了 "perfect is the enemy of good" 的错误。
  2. Python 相比之下,怎么写都行,心理负担极小。但是一方面,CPython 的性能和并发让我特别恼火;另一方面,Python 的抽象能力实在不高。

总而言之,学习多种编程语言不会让你变成更好的程序员,而是让你对任何一门语言都不满意。学习 Python/Haskell 会让你变成更差的程序员

于是,我打算重新捡起 Haskell。契机是,偶然的一次机会,我用 Haskell 写了一个 Telegram 机器人。这个机器人非常简单,最初的想法就是匹配消息内容,然后回复匹配到的内容。当然,根据上面的流程,我首先想到的是使用 Rust 写。这不就巧了,我之前还真用 Rust 写过 bot,体验非常糟糕。于是这次我打算换一个语言体验一番。恰好想到了 Haskell,一搜 Haskell 也真的有 Telegram bot 库,于是就动手了。

整个过程非常舒服,而且写起来很快,第一版只花了 10 分钟。写 Haskell 过程中,我可以自由地使用我的一切知识,而在 Rust 或 Python 中,我常常要思考如何把我的想法 “编译” 成比较低级的语言。比如说,在这个 bot 中我写了一个简单的文本匹配器。每个匹配器就是一个字符串到布尔值的函数。最开始,我按照常规定义了一个新类型,写完之后发现根本就是重复了布尔代数,并且还缺少了 True 和 False 的对应物。之后,我把匹配器表示成高阶函数,代码不仅更短,而且更灵活了(patternFromWords 也从 partial 变成 total 的了)。

经过这次比较愉快的经历,我开始认真思考是不是可以比较严肃地使用 Haskell。(也不仅仅是只有这一个经历就改变了我的看法。我对抽象的看法一直在更新,并且越来越重视组合性。)此外,关于 Haskell 本身,(1) 生态谈不上匮乏,想用的东西常常都能找到,比如 Telegram bot 框架 (2) GHC 对并发和并行有很好的支持 (3) 有认识的朋友也很喜爱 Haskell。

于是,我就又一次拾起了 Haskell!

并发

我对并发和并行一直都很感兴趣,而且也学习了不少这方面的知识。我非常痛恨 CPython,标准的反面教材。之前用 Python 做 meet in the middle 攻击,计算是 CPU 密集的,同时还会产生大量数据。而 CPython 因为臭名昭著的 GIL,没法直接多线程,于是就使用了 multiprocessing……似乎没毛病?有!我最终要把若干 GB 大小的计算结果丢给主进程,结果这里就成了性能瓶颈……(Python 似乎现在有共享内存的设施,但是我真的不想碰,multiprocessing 的接口也属实糟糕了点。)最后,被迫改成 Rust,结果是 Rust 单线程就足够快了。(很久以后,我用 OCaml 也实现了一个版本,不过确切的结果我忘了,似乎也是单线程就够用了。)

好巧不巧,我刚拿起 Haskell 的时候,碰到了这样一篇文章,标题是 Go 性能神话的破灭。文中有一个小的测试程序,对比了 Go 和 .NET 的并发性能。于是我就把 Go 代码翻译成了 Haskell。

编码过程:整个过程还算流畅,最大的难点倒不是实现那些 goroutine,Concurrent Haskell 本身完全就是用户态纤程,和 OS 线程是 m:n 关系,和 goroutine 完全一致。最大的难点是……临时阻止 stdout 输出。上面的代码可以看到我定义了一个 Job monad,它的 Bool 代表是否可以输出。还有一个有趣的事情是,最开始我是想直接用 ReaderT 而不定义新类型的,但是出现了很多类型错误,我算不过来,改成这样类型就容易算了。从某种意义上说,Haskell 强制让我把代码写得更清晰了……

写这个程序也让我自我感觉更良好了。因为这个程序里面用了 monad transformer 之类的比较难以理解的东西,而我写的时候基本都是水到渠成,所以我现在可以比较自信地说我已经初学者毕业了!LOL

实验结果:我的内存很小,所以 runs = 10 时根本跑不完。总之,结果有点差劲。后来我补习了很多 GHC (比如看这个视频学了一些 GHC GC)和性能侦测工具(比如 ThreadScope)等等的知识,再加上自己的很多乱七八糟的实验,最终才能在比较小的 runs 下得到比较快的结果。但是……还是很糟糕。知乎评论区里提到的不到一秒就能跑完真的想都不敢想。

我可以继续掩耳盗铃,说这个文章的例子过于矫揉造作。不过我觉得这不是正确的态度,正确的态度应该是真正地理解为什么 GHC 表现这么差。我暂时没兴趣继续深挖下去,就暂且留着这个坑好了。

Haskell 的用户态纤程就是有栈协程。这个模型可以说是非常符合直觉的。不过我一开始有点困惑为什么 Haskell 本身没用 delimited continuation 来建模这个事情,而是要做一个 primitive,后来才发现原来这个新模型是 2006 年才提出的,Concurrent Haskell 是 20 世纪的设计了。

总而言之,我认为 Haskell 的并发实现可以用,但不是最好的实现。它没法和 Go、.NET、JVM 竞争,但远远好于 Python。

哦对了,对我来说还有一个好处。Rust 没有信号量,Haskell 里有 QSem,所以我可以用 Haskell 来学习 The Little Book of Semaphores

FFI、内存安全

我接下来考虑到的事情是,如果 Haskell 本身缺库,那么这缺陷完全可以由 FFI 弥补。于是我开始看 Haskell FFI,并且写了一个 OpenCC 的绑定 练手。

先简单总结一下 Haskell 对 FFI 的看法。Haskell 是一个 "lazy", "pure" 的温柔乡,而 FFI 是通向邪恶外界世界的大门,所以 FFI 全部在 IO 里面。这合理吗?大部分情况下是合理的,但是有的计算人家就是 pure 的呀!没错,的确如此。于是我们碰到了 unsafePerformIO 的合理使用之一。(还有一个合理情况是全局的 IORef,嗯,记得加上 NOINLINE pragma。)

因为 unsafePerformIO 的存在,IO a 不能理解成 State RealWorld a。为什么?因为 RealWorld 并不是只有类型带 IO 的函数才能访问、修改的。那应该怎么办?可能只能把整个 GHC 都 formalize 进去才行吧。

其次,所有资源是用指针(Ptr)管理的。然后我们遇到了一个重大问题:资源怎么管理?GC 非常善于回收垃圾内存,但是非常不善于回收非内存资源。比较简单的情况,我们可以使用 ForeignPtr 挂一个 finalizer。而 Haskell 本身是怎么管理的呢?使用 bracket idiom。差不多就是 defer 语句。总之,这里我依然觉得 RAII 是更好的解决方案。

而 Haskell 完全不能帮你更好地管理资源!我本人因为编码错误,就遇到了 double free 的问题。于是我需要调试。嗯,调试??请用 Debug.Trace。如果你熟悉 Rust,这相当于 Rust 的 dbg!() 宏。为什么不插入 printf 或者单步调试呢?首先前者肯定是做不到的,因为 Haskell 是 "non-strict" 语言。后者对我遇到的情况没什么帮助,因为是 GC 时调用 finalizer 才会发生的。

事后反思一下,如果 Haskell 有 linear type,这个错误根本不会出现。所幸 GHC 9.0 已经有 linear type 可以亲自体验了,非常期待它未来会发挥怎样的作用。Tweag.io 有很多关于 Haskell linear type 的文章值得一读。

我个人把这一节总结成:Rust 已经赢了太多了✌️

字符串

字符串可能是个比较小的问题,但仍然是个槽点。

在做 OpenCC 绑定的过程中,不可避免地碰到了 String, ByteString, Text 的问题。Haskell 本身的字符串类型是 Char 链表。没错,每个 Char 先不论字符有多大,已经自带了 8 字节的指针……于是,不可避免地,我找到了 ByteStringText 这两个事实标准。(说真的,快把 String 改成 UTF-8 字节数组吧……和 Rust 一样……)

ByteString 就是一个字符数组的 ForeignPtr,而 Text 是 UTF-16 (wtf!)编码的。(好消息, Text 要改成 UTF-8 了)。还有,Text 只能存 Unicode 字符串,而且没有类似于 Rust 的 lossy 转换函数。decodeUtf8 在遇到错误时会抛异常,Michael Snoyman 就吐槽过这个

看起来好像改一个类型就行了?问题是,整个标准库都是 String。于是每个库都带着自己的 IO 函数,什么 Data.Text.IO.putStrLn 啦,Data.ByteString.Char8.hGetContents 啦,不一而足。反正你不得不想办法在字符串类型间转换来转换去。另外有趣的是,标准库和这些库里的 lazy, strict 命名约定是反过来的。虽然可以理解,但是我还是想在这里吐槽一句……

总结:Rust✌️

异常

上面提到了异常。异常就是 bottom value 嘛,有什么可说的?错了,如果真的是抓不了的那倒还好,问题是 Haskell 里可以抓异常,而且异步异常被用来做很多事情。比如说,取消一个 Haskell 线程就是给这个线程扔一个异常。对这个线程来说,这个异常是异步的。(然后又引入了关于 FFI 的一堆破事。)异常是有用的不假,而且对有栈协程来说可能也是必要的,但是在 Haskell 里这完全被滥用了。Prelude 里一大堆 partial 函数已经成了经久不衰的槽点。

相比之下,Rust 这边则反而比 Haskell 显得更在乎类型一些。Rust 社区对 panic 的看法非常统一:不可恢复的错误。换句话说,你不应该去抓它。Rust 也有机制可以抓,但是总体上是不鼓励的,甚至可以在 Cargo.toml 里面一键修改成想抓也抓不了(panic=abort)。另外,partial 基本都有 unwrap, expect 等标记,明显而统一。Haskell 没有这样统一的标志,于是你经常需要读文档(说好的类型即文档呢?),不注意的话就会踩到 decodeUtf8 这样的坑里。

工具链

Haskell 的工具链(ghc, cabal-install, stack)是传统黑点了。不过这里我想说的是,目前来看整体体验还不错,没遇到太多问题。

以前我用 Stack,一直没出事,但是我相当反感电脑上装好几套 LTS,我也根本不想去记 LTS 版本号。开玩笑,我记住 GHC 版本号就不错了好吗。总之,如果硬盘大、记性好,用 stack 一定是相当不错的。

这段时间主要是用 Nix 管理我的 Haskell 工具链。为什么呢?因为 Homebrew 太慢换成 Nix 顺便就管理了。也因为 Cabal 还是会炸。举个例子我装了 nixpkgs 的 ghc 8.10.4,自带了一个 directory 包版本比 Hackage 上的版本少了 0.0.0.1(我没骗你哦),导致 Hackage 上很多库都装不上了……我不清楚 Cabal 到底是怎么工作的,翻了一下 cabal 文件也没什么线索,版本号都是兼容的,很是离谱。

Cabal 还有一个非常神秘的问题是不能卸载。Cargo 都有 uninstall 命令的……

Haskell 这里把很多事情都搞得极为麻烦,包就是包,我不在乎它是源码(cabal)还是二进制(ghc-pkg),你能让我从代码里引用不就行了吗?总之,因为乱七八糟的原因,Nix 还要做很多 hack 才行。不过除去上面这些问题,倒还没遇到什么特别糟糕的事情。

之前非常想用 nix-shell 实现 Haskell 脚本,替代 Python,但是始终不能优雅地实现。今天改用 ghcup 后实现了:

#!/usr/bin/env runghc
{-# LANGUAGE PackageImports, OverloadedStrings #-}
import "turtle" Turtle
main = echo "it works!"

嗯对,现在 ghc 可以轻松找到 cabal 装的库了。在用 nix 的时候因为不想(浪费磁盘,而且实际上也不能)用 cabal 里的包所以做不到的事情,没想到这么轻易就解决了 = =!

性能

为什么在乎性能?因为我很在乎性能,不然我也不至于首选 Rust 不是?我最近读了很多关于 Haskell 性能的文章,大部分都是尬吹(比如这个 SO 问题, 这个 wiki 页面),少数有实际内容的看起来比较合理(比如这篇 Haskell 表现最差的)。总之,Haskell 并不能神奇地把任何代码都变成最佳形式。

对我来说,Haskell 最神奇的地方是它可以做一些非常高级的优化,比如说 ghc rewrite rules。

collatz :: Integer -> Bool
collatz x
    | x == 0 || x == 1 = True
    | odd x            = collatz (3*x+1)
    | otherwise        = collatz (x `quot` 2)
{-# NOINLINE collatz #-}
{-# RULES "collatz" forall x. collatz x = True #-}

这个规则说,只要碰到形状是 collatz x 这样的代码,都可以替换成一个 True。这个例子是我随便造的,它真正的价值在于可以轻易实现类似 bar (foo x) (foo y) = foo x (bar y z) 的代数规则。只要自己把规则写上去,GHC 就可以自动判断某处要不要进行重写。

另外,GHC 还有一些神奇的动作:

import qualified Data.ByteString.Lazy.Char8 as L
import Control.Monad
import System.IO
import Data.IORef
 
hLines :: Handle -> IO [L.ByteString]
hLines h = L.hGetContents h >>= pure . L.lines
 
main :: IO ()
main = do
  cnt <- newIORef 0
  input <- hLines stdin
  flip mapM_ input $ \line -> do
    L.putStr line
    modifyIORef cnt (+1)
    cur <- readIORef cnt
    if cur > 100
      then L.putStr (input !! (cur - 100))
      else return ()

这个程序使用了所谓的惰性 IO,把输入变成行流(hLines),如果当前行数是 i > 100,那么会输出 i-100 行,否则就什么都不输出。这个程序看起来需要把整个列表保存在内存里,不然怎么使用 !! 呢?但惊人的是,并没有!这个程序的内存占用是恒定的。

总而言之,很多人对 Haskell 性能的评价是 “难以捉摸”。我认为是确切的,它和我之前熟悉的所有语言的性能特征都完全不同。lazy 使得程序的行为和性能都无法 inductively reason。

对于简单的小任务,Haskell 的性能到底如何呢?我写了一个基于 ByteString 的非常 naive 的 wc 程序:

import qualified Data.ByteString.Char8 as C
import System.Environment
import System.IO

main :: IO ()
main = do
  args <- getArgs
  withFile (head args) ReadMode $ \handle -> do
    contents <- C.hGetContents handle
    let lines = length $ C.lines contents
        words = length $ C.words contents
        bytes = C.length contents
    putStrLn (show lines <> " " <> show words <> " " <> show bytes)

可以看到这个 wc 是非常 naive 的,这里的写法似乎暗示了整个 contents 会被扫描三遍。那么会不会呢?嗯,不知道🤷‍♂️ 但是可以看看它的性能表现。我下载了 UTF-8 格式的四大名著,然后反复拼接得到了一个 500MB 的 txt 文件。上面的程序 O2 编译后,在这个文件上运行了 2.841 秒。那么 macOS 自带的、C 语言写的 wc 要多久呢?2.293 秒。仅快了 0.5 秒。这里说「仅」,是因为上面这个程序真的是太 naive 了,花两分钟就能写出来。如果花更多时间优化,可以更快。(另外不知道是不是 GNU coreutils 在 macOS 下水土不服,它花了 10 多秒才能给出结果。)由于某种我未知的原因,使用 lazy 版本的 bytestring 可以把时间继续缩短到 2.564 秒,只需加 5 个字节(把 Data.ByteString.Char8 改成 Data.ByteString.Lazy.Char8)。

对我来说这个结果已经非常惊人了。只花一点点时间写一个看上去非常简单的程序,就得到可以接受的性能,天底下竟然真有这种好事!

人体工学与工程化

最后想提到的是人体工学。这个词是我从 Rust 社区那边抄过来的,意思就是写代码写得舒服不舒服。对 Haskell 来说,最基本的就是类型。

而我现在对类型有点不爽了。Haskell 里充斥着 monad。Monad 好吗?好啊,它可以分离副作用,把副作用关到笼子里。但是,经常会让代码变得非常糟糕。举个例子,这是用 Haskell 的 Z3 绑定解决四皇后问题的代码。

script :: Z3 (Maybe [Integer])
script = do
  q <- traverse mkFreshIntVar ["q1", "q2", "q3", "q4"]
  [_1, _4] <- traverse mkInteger [1, 4]
  assert =<< mkAnd =<< sequence (   [ mkLe _1 qi | qi <- q ]
                                 ++ [ mkLe qi _4 | qi <- q ])
  assert =<< mkDistinct q
  assert =<< mkNot =<< mkOr =<< T.sequence [diagonal (j-i) (q!!i) (q!!j) | i<-[0..3], j<-[i+1..3]]
  fmap snd $ withModel $ \m ->
    catMaybes <$> mapM (evalInt m) q
  where mkAbs x = do
          _0 <- mkInteger 0
          join $ mkIte <$> mkLe _0 x <*> pure x <*> mkUnaryMinus x
        diagonal d c c' =
          join $ mkEq <$> (mkAbs =<< mkSub [c',c]) <*> (mkInteger (fromIntegral d))

……你看得清在做什么吗?为什么会这样?最搞笑的是 join $ mkIte <$> mkLe _0 x <*> pure x <*> mkUnaryMinus x 这里。为什么要写这么多乱七八糟的东西?我当然知道这是在干什么,但是,为什么非要搞成这样……?话说回来,这个库是比较低级的库(对 libz3 的直接封装),如果硬要比,可以和 z3 的 C API 相比,这时候就会发现,Haskell 能让这些代码写到一行里面也不错?

最后回到最开始的移植 Go 代码里。之前提到了我使用了 StateT,于是突然间你不管做什么 IO 都要加上 lift 了。这太丑了……于是人们又开发出了一堆解决方案……这些解决方案可能很聪明,但是说到底都是在 workaround Haskell 本身的限制。真的有必要么?相比之下,OCaml、Rust 等允许副作用的语言里这甚至算不上问题。

Are you quite sure that all those bells and whistles, all those wonderful facilities of your so-called “powerful” programming languages, belong to the solution set rather than to the problem set?


-- Edsger W. Dijkstra

但是只要你忍住不乱用类型,所有东西都塞到 IO 里面,顶多用用 Reader 什么的,那其实 Haskell 是非常简单的。Z.Haskell 的作者韩冬就表达过这样的看法。嗯,我对 Haskell 工程化的看法主要就是受他在这个 Z.Haskell 讲座的影响。

结论

Haskell 社区一直有这样一个问题:如果 Haskell 真的那么好,那应该早就被所有人用上了。是不是 Haskell 其实并没有那么好?(有很多人对这个问题有自己的看法,不提也罢。)

上面写了那么多,我的态度已经很明显了:Haskell 本身还行,但是周边属实有点欠缺。不过我是乐观的,毕竟是周边问题,只要有人投入都可以解决。(而且经验告诉我们,就算本体有根本问题,只要有足够的投入也可以解决,例如 Python、Javascript。)而且我认为 Haskell 社区是非常 “理性” 的,做任何事都会努力去寻找正确的做法,只要找到了更好的做法,之前的做法就会被抛弃,我非常喜欢这一点。非常奇妙的是,Haskell 社区里很多大的、重要的项目都是单人或者很少人推动的,也许…… Haskell 确实可以提高单人的生产力?(一个猜想,很可能错。)

虽然这篇文章看似在黑,但对我来说,Haskell 极有可能会成为我的首选工具(而不是 Rust),这段时间体验下来,感觉还是非常趁手的。而且我还有很多 idea 需要有足够抽象能力的语言才能实现。但是还是不得不说,Rust 修正了 Haskell 中的很多很多很多设计错误,并且工具链非常好好好,能火起来真的不是偶然,我也会继续用 Rust 写要求高性能的程序,hs、rs 两开花。

逸事一则

上面提到的那个 Telegram bot 在运行了几天之后段错误了。嗯……这让我说点什么好?