[Functional Programming + Elm] Bài 3 - Type Variable & Type Class

Trong bài viết này, chúng ta sẽ nói về các khái niệm liên quan tới định kiểu dữ liệu Type. Những khái niệm mới mà chúng ta sẽ đề cập ở đây không hẳn thuộc về Functional Programming mà là những khái niệm phổ biến trong mảng lập trình nói chung, đó là Type Variable và Type Class.

Type Variable

Khái niệm Type Variable xuất phát từ môi trường của các ngôn ngữ định kiểu tĩnh static-typing, khi người ta bắt đầu nghĩ tới khả năng sử dụng một kiểu dữ liệu trừu tượng a để biểu trưng cho nhiều kiểu dữ liệu khác nhau. Như vậy, khi một biến được định kiểu với kiểu a sẽ có thể lưu trữ được một giá trị thuộc bất kỳ kiểu dữ liệu nào.

Do Type Variable đã được đề cập trước đó trong một bài viết của Sub-Series Declarative nên ở đây mình sẽ chỉ trích dẫn lại phần nội dung đã thực hiện để chúng ta có thể di chuyển nhanh tới khái niệm tiếp theo.

Các ngôn ngữ thuần Declarative hầu hết đều được xây dựng với một tinh thần chung - đó là khả năng định kiểu rất mạnh mẽ và nghiêm ngặt strong-typing. Và ở đây chúng ta có Elm là một trong số đó.

(round 1.0) + 2.0
-- Error : Int + Float

Cụ thể là thông báo lỗi như ví dụ phép tính + giữa một giá trị Int và một giá trị Float mà chúng ta đã nhìn thấy ở trên. Mặc dù trình biên dịch compiler của Elm đã có đủ thông tin về các giá trị nhận được trước khi thực hiện phép tính, tuy nhiên chỉ đơn giản là Elm không hỗ trợ tự động chuyển đổi kiểu ngầm định trong trường hợp này. Và chúng ta sẽ cần phải thực hiện việc chuyển kiểu dữ liệu trong code của mình -

(toFloat (round 1.0)) + 2.0
-- 3 : Float

1 + 2.0
-- 3 : Float

Ồ thế nhưng tại sao phép tính 1 + 2.0 lại không có thông báo lỗi ?

Giá trị 1 trả về bởi round có thông tin định kiểu chính xác là Int. Còn giá trị 1 mà chúng ta viết trực tiếp vào trong tệp code thì lại chưa được định kiểu cố định, do đó nên Elm sẽ xem là một giá trị thuộc kiểu biến thiên number.

Khái niệm kiểu biến thiên Type Variable, có thể hiểu đơn giản là một kiểu dữ liệu bất kỳ mà trình biên dịch compiler không tìm thấy thông tin định kiểu rõ ràng trong code. Và sẽ cố gắng tìm ra một logic xử lý thành công phù hợp nhất.

Chính xác thì một kiểu biến thiên a được hiểu là một kiểu Union bao gồm tất cả các kiểu dữ liệu mà trình biên dịch thu thập được trong code định nghĩa của toàn bộ chương trình project. Tuy nhiên, Elm cũng có tạo ra một vài Type Variable với khả năng hữu hạn hơn so với a. Đó là -

• number - là một giá trị số học; Vì vậy nên có thể là Float hoặc Int.
• comparable - là một giá trị có thể so sánh được bằng chương trình compare; Bao gồm Int, Float, Char, String, và List/Tupple của các kiểu đó.
• appendable - là một giá trị có thể thực hiện các thao tác nối ghép nội dung; Vì vậy nên có thể là String hoặc List.
• compappend - là một giá trị vừa thuộc comparable và vừa thuộc appendable.

Như vậy khi trình biên dịch đọc phép tính 1 + 2.0 thì giá trị 2.0 đã có đủ thông tin định kiểu rõ ràng là Float do có dấu phẩy thập phân .; Còn giá trị 1 thì chưa có thông tin định kiểu cụ thể nên sẽ là number. Logic thành công phù hợp nhất là Float + Float và chúng ta có logic được biên dịch là 1.0 + 2.0. Phép tính được thực hiện và không có thông báo lỗi.

Type Class

Khái niệm Type Class hay còn được gọi ngắn gọn là Class cũng là một khái niệm phổ biến trong lập trình nói chung và không thuộc về riêng bất kỳ ngôn ngữ hay mô hình lập trình nào. Tuy nhiên cũng giống Type Variable, khái niệm Class được hiểu và triển khai trong các mô hình lập trình có phần khác nhau do bối cảnh áp dụng và nền móng tư duy khởi điểm.

Đối với tư duy Lập Trình Hướng Đối Tượng OOP thì một Class được sử dụng để biểu trưng cho các giá trị thuộc các kiểu dữ liệu trong cùng dòng kế thừa tính từ chính Class đó cho tới các Class mở rộng được định nghĩa sau.

Tức là nếu như chúng ta có Class Person được sử dụng để định kiểu cho một biến someone : Person thì biến đó sẽ có thể lưu thực thể dữ liệu tạo ra từ chính Class Person hoặc bất kỳ Class nào khác ví dụ như Worker hay Teacher kế thừa từ Class Person.

Còn trong tư duy Lập Trình Hàm Functional Programming thì các Class lại được sử dụng để nhóm các kiểu dữ liệu khác nhau nhưng có cùng giao diện chức năng. Ví dụ đơn cử như trường hợp của comparable ở phần trước của bài viết có thể được xem là một Class bởi bất kỳ kiểu dữ liệu nào thuộc comparable cũng sẽ có thể tham gia vào các phép so sánh.

Như vậy chúng ta cũng có thể hiểu Class là một Kiểu Tổ Hợp Union Type biểu trưng cho nhiều kiểu dữ liệu khác nhau, nhưng được sử dụng ở khía cạnh mô tả chức năng tham gia vào một logic xử lý nào đó. Và ở điểm này thì Class của Functional lại có thể được hiểu là có chức năng tương đương với Interface trong OOP - công cụ được sử dụng để tạo ràng buộc cho các kiểu dữ liệu cụ thể khi tham gia vào Class sẽ phải triển khai những chức năng mà Class đó đã khai báo.

Elm không có cú pháp hỗ trợ khai báo Class và chúng ta sẽ tham khảo một code ví dụ từ Haskell - ngôn ngữ được xem là superset của Elm.

class YesNo a where
   yesno :: a -> String

Định nghĩa này có thể được đọc là chúng ta có class YesNo được khai báo là bất kỳ kiểu dữ liệu a nào thuộc class này cũng đều phải định nghĩa logic chi tiết cho hàm yesno nhận vào một giá trị thuộc kiểu đó và trả về một chuỗi nhận định là "Yes" hoặc "No". Như vậy sau khi tự định nghĩa xong một kiểu dữ liệu nào đó, chúng ta có thể thực hiện khai báo để kiểu dữ liệu đó thuộc class YesNo và cung cấp logic xử lý chi tiết cho hàm nhận định yesno.

instance YesNo Int where
   yesno 0 = "No"
   yesno _ = "Yes"

Code ví dụ trên đã tạo ra một thực thể instance từ class YesNo để trình biên dịch nạp vào thông tin rằng kiểu Int được khai báo thuộc class YesNo và có logic nhận định yesno là nói "No" với giá trị 0 và nói "Yes" với tất cả các giá trị khác 0.

> yesno 0
"No" : String

> yesno 9
"Yes" : String

Oh.. như vậy Type Class là công cụ để hỗ trợ tạo ra ràng buộc các tên hàm dùng chung cho nhiều kiểu dữ liệu khác nhau. Và mặc dù các phiên bản của các hàm này được định nghĩa chi tiết ở các module riêng nhưng chúng ta sẽ có thể sử dụng cú pháp gọi hàm chung mà không cần tham chiếu từ tên của các module khi import đồng thời. Trường hợp này chính xác có thể hiểu là overloading function, nhưng với code triển khai overloading được tản về các module khác nhau.

Ví dụ như khi chúng ta tạo ra tên hàm show, hay image, hay toString để chuyển các giá trị bất kỳ có thể có cấu trúc đơn giản hay phức tạp thành chuỗi mô tả. Chúng ta sẽ không cần phải gọi các hàm này theo cú pháp List.toString [0, 1], Int.toString 9, v.v... mà chỉ đơn giản là toString [0, 1] hay toString 9 bởi trình biên dịch sẽ có các phiên bản hàm show có chữ ký khác nhau.

Elm không hỗ trợ Type Class ở cấp độ cú pháp của ngôn ngữ, tuy nhiên chúng ta có thể nhìn thấy rằng mục đích của Type Class là tạo ra giao diện sử dụng chung cho các hàm cùng chức năng xuyên suốt các module. Như vậy chúng ta nên nghĩ đến một cách thức để tạo ràng buộc khiến trình biên dịch có thể đưa ra thông báo nhắc nhở nếu một module bất kỳ khi áp dụng một class nào đó mà chưa viết code triển khai chi tiết cho các hàm được khai báo trong class đó. Cụ thể là chúng ta có thể lưu các hàm vào các record mô phỏng class.

module Class exposing (YesNo)

type alias YesNo a =
   { yesno : a -> String }

Sau đó ở các module muốn tạo ràng buộc triển khai class này, chúng ta có thể tạo một hàm instance... và trả về một record với định kiểu a được chỉ định cụ thể kèm theo các thuộc tính được gắn với các hàm được định nghĩa trong module đó.

module Book exposing (Book, yesno)
import Class exposing (YesNo)

type alias Book =
   { title  : String
   , author : String
   , rating : Float
   }

instanceYesNo : Class.YesNo Book
instanceYesNo = Class.YesNo yesno

Trong trường hợp chúng ta quên chưa viết code triển khai chi tiết cho một hàm nào đó ở một module bất kỳ có khai báo class bằng hàm instance... thì trình biên dịch sẽ đưa ra thông báo lỗi.

module Main exposing (main)
import Book exposing (..)
import Html exposing (Html, text)

main : Html message
main = text "There must be an error message."

elm reactor

Go to http://localhost:8000 to see your project dashboard.

Ở đây chúng ta có Hàm instance... sẽ không cần phải được gọi ở bất kỳ đâu trong code; Chúng ta chỉ định nghĩa hàm này để kích hoạt thông báo lỗi nếu code bên trong module chưa viết định nghĩa cho hàm yesno khai báo tại ClassYesNo. Như vậy là chúng ta đã có công cụ tạo ràng buộc triển khai code Type Class để sử dụng trong Elm. Trước khi kết thúc bài viết thì chúng ta sẽ thêm định nghĩa yesno cho module Book để bỏ thông báo lỗi ở trên.

-- instance...

yesno : Book -> String
yesno abook =
   if abook.rating < 9.0
      then "No"
      else "Yes"

Và code sử dụng Book.yesno tại Main.

module Main exposing (main)
import Book exposing (..)
import Html exposing (Html, text)

main : Html message
main =
   let tell = text << Book.yesno
   in  tell (Book "Yoga Sutra" "Patanjali" 9.9) -- "Yes"

[Functional Programming + Elm] Bài 4 - Functor & Applicative