c# - 如何使用 C# async/await 作为独立的 CPS 转换
问题描述
注1:这里的CPS代表“延续传递风格”
我对了解如何连接到 C# 异步机制非常感兴趣。基本上,据我了解 C# async/await 功能,编译器正在执行 CPS 转换,然后将转换后的代码传递给上下文对象,该对象管理各种线程上的任务调度。
您是否认为可以利用该编译器功能来创建强大的组合器,同时保留默认的线程方面?
一个例子是可以去递归和记忆一个方法,比如
async MyTask<BigInteger> Fib(int n) // hypothetical example
{
if (n <= 1) return n;
return await Fib(n-1) + await Fib(n-2);
}
我设法做到了:
void Fib(int n, Action<BigInteger> Ret, Action<int, Action<BigInteger>> Rec)
{
if (n <= 1) Ret(n);
else Rec(n-1, x => Rec(n-2, y => Ret(x + y)));
}
(不使用异步,非常笨拙......)
或使用单子( While<X> = Either<X, While<X>>
)
While<X> Fib(int n) => n <= 1 ?
While.Return((BigInteger) n) :
from x in Fib(n-1)
from y in Fib(n-2)
select x + y;
好一点,但不像异步语法那么可爱:)
我在E. Lippert 的博客上问过这个问题,他很友好地让我知道这确实是可能的。
在实现 ZBDD 库时需要我:(一种特殊的 DAG)
许多复杂的相互递归操作
在实际示例中堆栈不断溢出
只有完全记住才实用
手动 CPS 和去递归非常繁琐且容易出错。
我所追求的(堆栈安全)的酸性测试将类似于:
async MyTask<BigInteger> Fib(int n, BigInteger a, BigInteger b)
{
if (n == 0) return b;
if (n == 1) return a;
return await Fib(n - 1, a + b, a);
}
Fib(10000, 1, 0)
这会在默认行为上产生堆栈溢出。或者更好的是,使用开头的代码和 memoization 来计算Fib(10000)
.
解决方案
这是我的解决方案版本。它是堆栈安全的,不使用线程池,但有特定的限制。特别是它需要尾递归风格的方法,所以像这样的结构是Fib(n-1) + Fib(n-2)
行不通的。另一方面,实际上以迭代方式执行的尾递归性质不需要记忆,因为每次迭代都被调用一次。它没有边缘情况保护,但它更像是一个原型而不是最终解决方案:
public class RecursiveTask<T>
{
private T _result;
private Func<RecursiveTask<T>> _function;
public T Result
{
get
{
var current = this;
var last = current;
do
{
last = current;
current = current._function?.Invoke();
} while (current != null);
return last._result;
}
}
private RecursiveTask(Func<RecursiveTask<T>> function)
{
_function = function;
}
private RecursiveTask(T result)
{
_result = result;
}
public static implicit operator RecursiveTask<T>(T result)
{
return new RecursiveTask<T>(result);
}
public static RecursiveTask<T> FromFunc(Func<RecursiveTask<T>> func) => new RecursiveTask<T>(func);
}
以及用法:
class Program
{
static RecursiveTask<int> Fib(int n, int a, int b)
{
if (n == 0) return a;
if (n == 1) return b;
return RecursiveTask<int>.FromFunc(() => Fib(n - 1, b, a + b));
}
static RecursiveTask<int> Factorial(int n, int a)
{
if (n == 0) return a;
return RecursiveTask<int>.FromFunc(() => Factorial(n - 1, n * a));
}
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine(Factorial(5, 1).Result);
Console.WriteLine(Fib(100000, 0, 1).Result);
}
}
请注意,返回包装循环调用的函数很重要,而不是调用本身,以避免真正的递归。
更新 下面是另一个实现,它仍然不使用 CPS 变换,但允许使用接近代数递归的语义,即它支持函数内部的多个类似递归的调用,并且不需要函数是尾递归的。
public class RecursiveTask<T1, T2>
{
private readonly Func<RecursiveTask<T1, T2>, T1, T2> _func;
private readonly Dictionary<T1, RecursiveTask<T1, T2>> _allTasks;
private readonly List<RecursiveTask<T1, T2>> _subTasks;
private readonly RecursiveTask<T1, T2> _rootTask;
private T1 _arg;
private T2 _result;
private int _runsCount;
private bool _isCompleted;
private bool _isEvaluating;
private RecursiveTask(Func<RecursiveTask<T1, T2>, T1, T2> func)
{
_func = func;
_allTasks = new Dictionary<T1, RecursiveTask<T1, T2>>();
_subTasks = new List<RecursiveTask<T1, T2>>();
_rootTask = this;
}
private RecursiveTask(Func<RecursiveTask<T1, T2>, T1, T2> func, T1 arg, RecursiveTask<T1, T2> rootTask) : this(func)
{
_arg = arg;
_rootTask = rootTask;
}
public T2 Run(T1 arg)
{
if (!_isEvaluating)
BuildTasks(arg);
if (_isEvaluating)
return EvaluateTasks(arg);
return default;
}
public static RecursiveTask<T1, T2> Create(Func<RecursiveTask<T1, T2>, T1, T2> func)
{
return new RecursiveTask<T1, T2>(func);
}
private void AddSubTask(T1 arg)
{
if (!_allTasks.TryGetValue(arg, out RecursiveTask<T1, T2> subTask))
{
subTask = new RecursiveTask<T1, T2>(_func, arg, this);
_allTasks.Add(arg, subTask);
_subTasks.Add(subTask);
}
}
private T2 Run()
{
if (!_isCompleted)
{
var runsCount = _rootTask._runsCount;
_result = _func(_rootTask, _arg);
_isCompleted = runsCount == _rootTask._runsCount;
}
return _result;
}
private void BuildTasks(T1 arg)
{
if (_runsCount++ == 0)
_arg = arg;
if (EqualityComparer<T1>.Default.Equals(_arg, arg))
{
Run();
var processed = 0;
var addedTasksCount = _subTasks.Count;
while (processed < addedTasksCount)
{
for (var i = processed; i < addedTasksCount; i++, processed++)
_subTasks[i].Run();
addedTasksCount = _subTasks.Count;
}
_isEvaluating = true;
}
else
AddSubTask(arg);
}
private T2 EvaluateTasks(T1 arg)
{
if (EqualityComparer<T1>.Default.Equals(_arg, arg))
{
foreach (var task in Enumerable.Reverse(_subTasks))
task.Run();
return Run();
}
else
{
if (_allTasks.TryGetValue(arg, out RecursiveTask<T1, T2> task))
return task._isCompleted ? task._result : task.Run();
else
return default;
}
}
}
用法:
class Program
{
static int Fib(int num)
{
return RecursiveTask<int, int>.Create((t, n) =>
{
if (n == 0) return 0;
if (n == 1) return 1;
return t.Run(n - 1) + t.Run(n - 2);
}).Run(num);
}
static void Main(string[] args)
{
Console.WriteLine(Fib(7));
Console.WriteLine(Fib(100000));
}
}
作为好处,它是堆栈安全的,不使用线程池,没有async
await
基础设施负担,使用记忆并允许使用或多或少的可读语义。当前的实现意味着仅使用带有单个参数的函数。为了使其适用于更广泛的功能,应该为不同的通用参数集提供类似的实现:
RecursiveTask<T1, T2, T3>
RecursiveTask<T1, T2, T3, T4>
...
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