Elmで始めるFunctional Reactive Programming

フロントエンドに忍び寄る関数型の影
Elmで始める
Functional Reactive Programming

前田康行 (@maeda_)
2013/2/23 大なごやjs

自己紹介

!   前田康行 ( @maeda_ )
!   名古屋在住のフリーランス(http://www.illi-ichi.com)
!   好きな言語
! Scala
!   Smalltalk
! DyNagoya (http://dynagoya.info/)
= Dynamic language + Nagoya

この資料の目的

!   想定対象者
!   普段はJavascriptなど、型のない言語を使っている
!   最近、関数型が流行っているらしいとは聞くが実態は
知らない
!   または、関数型言語の勉強をしてみたが、実践的なア
プリケーションの作り方は分からない
!   そういった人たちに、関数型プログラミングの
イメージを伝えることが目的です。
!   知らない用語が出てきても、スルーすれば大丈夫な
はず。

Elm とは

!   Elm (http://elm-lang.org)
!   FRP(Functional Reactive Programming)をベースとした
Webアプリケーションフレームワーク
!   Elmのコード → Javascript + HTML + CSS を生成
!   HaskellをベースにWebアプリに適した文法を独自定義
!   Native Markdown support
!   Extensible Records

本家ページ(http://elm-lang.org)

!   このページもElmで作られている

本家ページ(http://elm-lang.org)

!   サンプルが豊富
!   ブラウザ上でコードを試せる
!   画面左のコードはサーバー側でコンパイルされて、
生成物が右側に表示される

Functional Reactive
Programming

Reactive Programmingとは

!   典型例：Excel
!   A1やB1のセルの値を変えると、C1の値も勝手に変わる
!   C1の中で、A1やB1はReactiveな値

もし、Javascriptで書いたら・・・

!   セルの状態を管理したり
!   更新時のcallbackを設定したり
const
sum
=
function(outCell){

var
x,
y;

function
update(){

sheet(outCell).value(x
+
y);

}

return
{

updateX:
function(cell)
{
x
=
cell.value();
update()
},

updateY:
function(cell)
{
y
=
cell.value();
update()
}

};

}("C1");

sheet("A1").on("update",
sum.updateX);

sheet("B1").on("update",
sum.updateY);

※これは架空のコードです。

もし、Elmで書いたら・・・

!   このコードで、A1,B1の値が更新されたら、C1の
値が更新される

main
=
lift
(Excel.update
"C1")
$
(+)
<〜
Excel.cell
"A1"

〜
Excel.cell
"B1"

※これは架空のコードです。

ブラウザ上でもReactiveがいい

!   マルチタッチ対応のお絵描きアプリも５行で
(本家ページのBasic – Touch – Drawのサンプル)

add
t
d
=
let
vs
=
Dict.findWithDefault
[]
t.id
d

in

Dict.insert
t.id
((t.x,t.y):vs)
d

scene
(w,h)
=
collage
w
h
.
map
(solid
red
.
line)

main
=
let
ts
=
foldp
(
ts
d
->
foldl
add
d
ts)
Dict.empty
Touch.touches

in

lift2
scene
Window.dimensions
(lift
Dict.values
ts)

※これは架空のコードではありません。

３本指で同時に描いた線 →

Callback地獄からの脱却

!   シングルスレッドなJSでは、コールバックが多用され
る
!   一般的に、Callbackはコードの流れを断絶し、可読性を
下げることが多い
!   ElmならReactiveで、かつ、Functionalなコードが書ける

Functionalな
プログラミング

Functionalなプログラミング
とは

1.  (ただの)Functional Programming
関数を組み合わせてプログラムを構成
2.  Purely Functional Programming
純粋な関数（副作用がない関数）でプログラムを構成
(= 外界に影響を与えず、同じ引数には同じ戻り値を返す）
!   副作用の例
!   マウスの位置やクリック状況を取得
!   画面に何かを描画する
!   Ajax通信
!   時間を取得
!   変数の値(状態)を書き換える
Elmは純粋な関数しか作れない！

純粋な関数

副作用のないプログラミング

「外部から副作用をもらった時、どう副作用を与えるか」
を記述する。

Key Down
Reactiveな値
（ライブラリとして提供）

Timer

画面表示
実行時に変化があると、
値を純粋な関数に流し込む

純粋な関数

副作用のないプログラミング

「外部から副作用をもらった時、どう副作用を与えるか」
を記述する。

Key Down
Timer

画面表示
f1

f2

f3

f4

純粋な関数を合成して
ひとつの関数を作る

外部の値をもらう時は
普通の適用とは異なる

「意味イベント」を作る

!   意味イベントという言葉はITプランニング小笠原さんが発案
http://www.itpl.co.jp/tech/func/event-driven.pdf
!   生のイベントを変換/合成して、より意味のあるイベントに
する
純粋な関数

Key Down
Timer

画面表示
ダイアログ
を閉じる

ESCキーを
押下

Mouse Click
×ボタンを
クリック
一定時間
経過

Elmは強い型付け言語

!   値には必ず型がつく。
! Int, String, Float, ...
!   [a](リスト), Set a(集合), Dict a(ハッシュテーブル)
!   関数（A → B → C はA型とB型を受け取って、C型を返す関数）
!   代数データ型、レコード
!   関数に渡すときに、型が合わないとコンパイルエラー
f1 :: Float →Int
f2 :: Int→String
3.5 :: Float
“□□□” :: String

※「a :: A」という表記はaがA型であることを
　「A→B」という表記はA型からB型に変換する関数を示す
型チェック
型チェック

Reactiveな世界
純粋な世界

Signal a型
(aは何かの型)

!   純粋な値と外部からやってくる値を型で区別
!   外からやってくるReactiveな値は「Signal a型」となる
（aには純粋な世界の型が入る）
!   「Signal Int型」は何らかの数値(Int)の値となるReactiveな値を表す
Int

String

Element

Time

Signal Int

Signal String

Signal Element

Signal Time

Reactiveな値を変換する

!   Reactiveな値を変換する場合、関数をReactiveな世
界に持ち上げて(liftして)、適用する
Reactiveな世界
純粋な世界

format :: Int → String

Mouse.x :: Signal Int
30 :: Int

"X座標は30です" :: String
"X座標は□です" :: Signal String

lift format
:: Signal Int → Signal String

Signal Element型に持っていく

!   画面に表示されるものはElement型で表される
!   Signal a型の値を変換して、
最終的にSignal Element型を作るようなmain関数を作る
--
マウスカーソルに合わせて画像をリサイズする

drawImage
(w,
h)
=
image
w
h
"/images/hoge.jpg"

main
=
lift
drawImage
Mouse.position

drawImage :: (Int, Int) → Element

lift drawImage :: Signal (Int, Int) → Signal Element

Mouse.position :: Signal (Int, Int)

main :: Signal Element

関数型言語の教材として
Elmはよいのではないか？

!   お手軽
!   ブラウザ上で、目に見える形で動作するアプリケーショ
ンがすぐに試せる
!   簡単
!   出来る事が限定されているのでHaskellよりも簡単
!   簡単側に倒れていることが多い

!   IO Monadがない。Functorが分かれば大丈夫
!   ただしSignalのダイナミックな配線の変更はできない
!   教育的

!   サンプルが豊富
!   サンプルのコメントにExerciseがあったり
!   ピンポンゲームの作成チュートリアルもある
!   標準ライブラリが弱いので、自分で定義しなくてはなら
ない

一方で、Elmの注意点

!   まだ発展途上。いろいろ厳しい
!   コンパイルエラーが分かりにくい
!   修行だと思ってください
!   REPLがない
!   型を調べたり、ちょっとした確認が面倒
!   ブラウザ上でHaskellを動かしたいわけではない。
!   Haskellをベースにブラウザ+FRPに適した構文を追求
!   Haskellは遅延評価だが、Elmは正格評価
遅延評価でFRPを実装するのは難しいらしい
(メモリリークなどの観点で)
!   where句は実装予定
!   特殊なifの構文

Elmを始めるには

!   まずHaskellの勉強から
!   「すごいHaskell楽しく学ぼう(通称：すごいH本)」
11章あたりまで読めれば十分。途中まででも多分大丈夫
!   Haskellの基本は分かったがアプリを作るイメージが
湧かない
→ そこでElmをやってみる
!   サンプルを適当にいじってみたり
!   ピンポンのチュートリアルやったり

（おまけ）
説明しきれなかったこと

!   状態を扱いたい → foldpを使う
foldp :: (a → b → b) → b → Signal a → Signal b
! Javascriptとの連携(FFI)
!   JS側で登録したイベントをSignal aとしてElmで扱う
!   ElmのSignal aをイベントとしてJS側に渡す
!   Applicativeスタイルでの記述
(<〜) :: (a → b) → Signal a → Signal b
(〜) :: Signal (a → b) → Signal a → Signal b

(おまけ)
elm-serverをローカルで立てる

!   Mac OS X で home brew を使用した場合
>
brew
install
ghc

>
brew
install
cabal-install

>
cd
(git
repos)

>
git
clone
https://github.com/evancz/Elm.git

>
cd
Elm/elm

>
cabal
install
Elm.cabal

>
cd
(git
repos)

>
git
clone
https://github.com/evancz/elm-lang.org.git

>
cd
elm-lang.org/

>
./compile.sh

>
./server/Server

ブラウザでhttp://localhost:8000/ を開く

参考文献

!   Elm: Concurrent FRP for Functional GUIs
http://www.testblogpleaseignore.com/wp-content/uploads/2012/04/thesis.pdf
Elmの論文
!   イベントドリブンプログラミングの関数型的書き方
http://www.itpl.co.jp/tech/func/event-driven.pdf
FRPという言葉のないFRPの説明(OCaml)
! maoeのブログ「FRPの話」
http://maoe.hatenadiary.jp/entry/2012/12/24/011414
包括的なFRPのまとめ(ほぼHaskell)
ちなみにElmはArrowized FRP

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