edits
[lambda.git] / coroutines_and_aborts.mdwn
1 [[!toc]]
2
3 ##Same-fringe using a zipper-based coroutine##
4
5 Recall back in [[Assignment4]], we asked you to enumerate the "fringe" of a leaf-labeled tree. Both of these trees (here I *am* drawing the labels in the diagram):
6
7             .                .
8            / \              / \
9           .   3            1   .
10          / \                  / \
11         1   2                2   3
12
13 have the same fringe: `[1;2;3]`. We also asked you to write a function that determined when two trees have the same fringe. The way you approached that back then was to enumerate each tree's fringe, and then compare the two lists for equality. Today, and then again in a later class, we'll encounter new ways to approach the problem of determining when two trees have the same fringe.
14
15
16 Supposing you did work out an implementation of the tree zipper, then one way to determine whether two trees have the same fringe would be: go downwards (and leftwards) in each tree as far as possible. Compare the targetted leaves. If they're different, stop because the trees have different fringes. If they're the same, then for each tree, move rightward if possible; if it's not (because you're at the rightmost position in a sibling list), more upwards then try again to move rightwards. Repeat until you are able to move rightwards. Once you do move rightwards, go downwards (and leftwards) as far as possible. Then you'll be targetted on the next leaf in the tree's fringe. The operations it takes to get to "the next leaf" may be different for the two trees. For example, in these trees:
17
18             .                .
19            / \              / \
20           .   3            1   .
21          / \                  / \
22         1   2                2   3
23
24 you won't move upwards at the same steps. Keep comparing "the next leafs" until they are different, or you exhaust the leafs of only one of the trees (then again the trees have different fringes), or you exhaust the leafs of both trees at the same time, without having found leafs with different labels. In this last case, the trees have the same fringe.
25
26 If your trees are very big---say, millions of leaves---you can imagine how this would be quicker and more memory-efficient than traversing each tree to construct a list of its fringe, and then comparing the two lists so built to see if they're equal. For one thing, the zipper method can abort early if the fringes diverge early, without needing to traverse or build a list containing the rest of each tree's fringe.
27
28 Let's sketch the implementation of this. We won't provide all the details for an implementation of the tree zipper, but we will sketch an interface for it.
29
30 First, we define a type for leaf-labeled, binary trees:
31
32         type 'a tree = Leaf of 'a | Node of ('a tree * 'a tree)
33
34 Next, the interface for our tree zippers. We'll help ourselves to OCaml's **record types**. These are nothing more than tuples with a pretty interface. Instead of saying:
35
36         # type blah = Blah of (int * int * (char -> bool));;
37
38 and then having to remember which element in the triple was which:
39
40         # let b1 = Blah (1, (fun c -> c = 'M'), 2);;
41         Error: This expression has type int * (char -> bool) * int
42        but an expression was expected of type int * int * (char -> bool)
43         # (* damnit *)
44         # let b1 = Blah (1, 2, (fun c -> c = 'M'));;
45         val b1 : blah = Blah (1, 2, <fun>)
46
47 records let you attach descriptive labels to the components of the tuple:
48
49         # type blah_record = { height : int; weight : int; char_tester : char -> bool };;
50         # let b2 = { height = 1; weight = 2; char_tester = fun c -> c = 'M' };;
51         val b2 : blah_record = {height = 1; weight = 2; char_tester = <fun>}
52         # let b3 = { height = 1; char_tester = (fun c -> c = 'K'); weight = 3 };; (* also works *)
53         val b3 : blah_record = {height = 1; weight = 3; char_tester = <fun>}
54
55 These were the strategies to extract the components of an unlabeled tuple:
56
57         let h = fst some_pair;; (* accessor functions fst and snd are only predefined for pairs *)
58
59         let (h, w, test) = b1;; (* works for arbitrary tuples *)
60
61         match b1 with
62         | (h, w, test) -> ...;; (* same as preceding *)
63
64 Here is how you can extract the components of a labeled record:
65
66         let h = b2.height;; (* handy! *)
67
68         let {height = h; weight = w; char_tester = test} = b2
69         in (* go on to use h, w, and test ... *)
70
71         match test with
72         | {height = h; weight = w; char_tester = test} ->
73                 (* go on to use h, w, and test ... *)
74
75 Anyway, using record types, we might define the tree zipper interface like so:
76
77         type 'a starred_level = Root | Starring_Left of 'a starred_nonroot | Starring_Right of 'a starred_nonroot
78         and 'a starred_nonroot = { parent : 'a starred_level; sibling: 'a tree };;
79
80         type 'a zipper = { level : 'a starred_level; filler: 'a tree };;
81
82         let rec move_botleft (z : 'a zipper) : 'a zipper =
83             (* returns z if the targetted node in z has no children *)
84             (* else returns move_botleft (zipper which results from moving down and left in z) *)
85
86 <!--
87             let {level; filler} = z
88             in match filler with
89             | Leaf _ -> z
90             | Node(left, right) ->
91                 let zdown = {level = Starring_Left {parent = level; sibling = right}; filler = left}
92                 in move_botleft zdown
93             ;;
94 -->
95
96         let rec move_right_or_up (z : 'a zipper) : 'a zipper option =
97             (* if it's possible to move right in z, returns Some (the result of doing so) *)
98             (* else if it's not possible to move any further up in z, returns None *)
99             (* else returns move_right_or_up (result of moving up in z) *)
100
101 <!--
102             let {level; filler} = z
103             in match level with
104             | Starring_Left {parent; sibling = right} -> Some {level = Starring_Right {parent; sibling = filler}; filler = right}
105             | Root -> None
106             | Starring_Right {parent; sibling = left} ->
107                 let z' = {level = parent; filler = Node(left, filler)}
108                 in move_right_or_up z'
109             ;;
110 -->
111
112 The following function takes an 'a tree and returns an 'a zipper focused on its root:
113
114         let new_zipper (t : 'a tree) : 'a zipper =
115             {level = Root; filler = t}
116             ;;
117
118 Finally, we can use a mutable reference cell to define a function that enumerates a tree's fringe until it's exhausted:
119
120         let make_fringe_enumerator (t: 'a tree) =
121             (* create a zipper targetting the botleft of t *)
122             let zbotleft = move_botleft (new_zipper t)
123             (* create a refcell initially pointing to zbotleft *)
124             in let zcell = ref (Some zbotleft)
125             (* construct the next_leaf function *)
126             in let next_leaf () : 'a option =
127                 match !zcell with
128                 | Some z -> (
129                     (* extract label of currently-targetted leaf *)
130                     let Leaf current = z.filler
131                     (* update zcell to point to next leaf, if there is one *)
132                     in let () = zcell := match move_right_or_up z with
133                         | None -> None
134                         | Some z' -> Some (move_botleft z')
135                     (* return saved label *)
136                     in Some current
137                 | None -> (* we've finished enumerating the fringe *)
138                     None
139                 )
140             (* return the next_leaf function *)
141             in next_leaf
142             ;;
143
144 Here's an example of `make_fringe_enumerator` in action:
145
146         # let tree1 = Leaf 1;;
147         val tree1 : int tree = Leaf 1
148         # let next1 = make_fringe_enumerator tree1;;
149         val next1 : unit -> int option = <fun>
150         # next1 ();;
151         - : int option = Some 1
152         # next1 ();;
153         - : int option = None
154         # next1 ();;
155         - : int option = None
156         # let tree2 = Node (Node (Leaf 1, Leaf 2), Leaf 3);;
157         val tree2 : int tree = Node (Node (Leaf 1, Leaf 2), Leaf 3)
158         # let next2 = make_fringe_enumerator tree2;;
159         val next2 : unit -> int option = <fun>
160         # next2 ();;
161         - : int option = Some 1
162         # next2 ();;
163         - : int option = Some 2
164         # next2 ();;
165         - : int option = Some 3
166         # next2 ();;
167         - : int option = None
168         # next2 ();;
169         - : int option = None
170
171 You might think of it like this: `make_fringe_enumerator` returns a little subprogram that will keep returning the next leaf in a tree's fringe, in the form `Some ...`, until it gets to the end of the fringe. After that, it will keep returning `None`.
172
173 Using these fringe enumerators, we can write our `same_fringe` function like this:
174
175         let same_fringe (t1 : 'a tree) (t2 : 'a tree) : bool =
176                 let next1 = make_fringe_enumerator t1
177                 in let next2 = make_fringe_enumerator t2
178                 in let rec loop () : bool =
179                         match next1 (), next2 () with
180                         | Some a, Some b when a = b -> loop ()
181                         | None, None -> true
182                         | _ -> false
183                 in loop ()
184                 ;;
185
186 The auxiliary `loop` function will keep calling itself recursively until a difference in the fringes has manifested itself---either because one fringe is exhausted before the other, or because the next leaves in the two fringes have different labels. If we get to the end of both fringes at the same time (`next1 (), next2 ()` matches the pattern `None, None`) then we've established that the trees do have the same fringe.
187
188 The technique illustrated here with our fringe enumerators is a powerful and important one. It's an example of what's sometimes called **cooperative threading**. A "thread" is a subprogram that the main computation spawns off. Threads are called "cooperative" when the code of the main computation and the thread fixes when control passes back and forth between them. (When the code doesn't control this---for example, it's determined by the operating system or the hardware in ways that the programmer can't predict---that's called "preemptive threading.") Cooperative threads are also sometimes called *coroutines* or *generators*.
189
190 With cooperative threads, one typically yields control to the thread, and then back again to the main program, multiple times. Here's the pattern in which that happens in our `same_fringe` function:
191
192         main program            next1 thread            next2 thread
193         ------------            ------------            ------------
194         start next1
195         (paused)                        starting
196         (paused)                        calculate first leaf
197         (paused)                        <--- return it
198         start next2                     (paused)                        starting
199         (paused)                        (paused)                        calculate first leaf
200         (paused)                        (paused)                        <-- return it
201         compare leaves          (paused)                        (paused)
202         call loop again         (paused)                        (paused)
203         call next1 again        (paused)                        (paused)
204         (paused)                        calculate next leaf     (paused)
205         (paused)                        <-- return it           (paused)
206         ... and so on ...
207
208 If you want to read more about these kinds of threads, here are some links:
209
210 <!-- *  [[!wikipedia Computer_multitasking]]
211 *       [[!wikipedia Thread_(computer_science)]] -->
212
213 *       [[!wikipedia Coroutine]]
214 *       [[!wikipedia Iterator]]
215 *       [[!wikipedia Generator_(computer_science)]]
216 *       [[!wikipedia Fiber_(computer_science)]]
217 <!-- *  [[!wikipedia Green_threads]]
218 *       [[!wikipedia Protothreads]] -->
219
220 The way we built cooperative threads here crucially relied on two heavyweight tools. First, it relied on our having a data structure (the tree zipper) capable of being a static snapshot of where we left off in the tree whose fringe we're enumerating. Second, it relied on our using mutable reference cells so that we could update what the current snapshot (that is, tree zipper) was, so that the next invocation of the `next_leaf` function could start up again where the previous invocation left off.
221
222 It's possible to build cooperative threads without using those tools, however. Some languages have a native syntax for them. Here's how we'd write the same-fringe solution above using native coroutines in the language Lua:
223
224         > function fringe_enumerator (tree)
225             if tree.leaf then
226                 coroutine.yield (tree.leaf)
227             else
228                 fringe_enumerator (tree.left)
229                 fringe_enumerator (tree.right)
230             end
231         end
232         
233         > function same_fringe (tree1, tree2)
234             local next1 = coroutine.wrap (fringe_enumerator)
235             local next2 = coroutine.wrap (fringe_enumerator)
236             local function loop (leaf1, leaf2)
237                 if leaf1 or leaf2 then
238                     return leaf1 == leaf2 and loop( next1(), next2() )
239                 elseif not leaf1 and not leaf2 then
240                     return true
241                 else
242                     return false
243                 end
244             end
245             return loop (next1(tree1), next2(tree2))
246         end
247         
248         > return same_fringe ( {leaf=1}, {leaf=2} )
249         false
250         
251         > return same_fringe ( {leaf=1}, {leaf=1} )
252         true
253         
254         > return same_fringe ( {left = {leaf=1}, right = {left = {leaf=2}, right = {leaf=3}}},
255             {left = {left = {leaf=1}, right = {leaf=2}}, right = {leaf=3}} )
256         true
257
258 We're going to think about the underlying principles to this execution pattern, and instead learn how to implement it from scratch---without necessarily having zippers to rely on.
259
260
261 ##Exceptions and Aborts##
262
263 To get a better understanding of how that execution pattern works, we'll add yet a second execution pattern to our plate, and then think about what they have in common.
264
265 While writing OCaml code, you've probably come across errors. In fact, you've probably come across errors of two sorts. One sort of error comes about when you've got syntax errors or type errors and the OCaml interpreter isn't even able to understand your code:
266
267         # let lst = [1; 2] in
268           "a" :: lst;;
269         Error: This expression has type int list
270                    but an expression was expected of type string list
271
272 But you may also have encountered other kinds of error, that arise while your program is running. For example:
273
274         # 1/0;;
275         Exception: Division_by_zero.
276         # List.nth [1;2] 10;;
277         Exception: Failure "nth".
278
279 These "Exceptions" are **run-time errors**. OCaml will automatically detect some of them, like when you attempt to divide by zero. Other exceptions are *raised* by code. For instance, here is the implementation of `List.nth`:
280
281         let nth l n =
282           if n < 0 then invalid_arg "List.nth" else
283           let rec nth_aux l n =
284                 match l with
285                 | [] -> failwith "nth"
286                 | a::l -> if n = 0 then a else nth_aux l (n-1)
287           in nth_aux l n
288
289 Notice the two clauses `invalid_arg "List.nth"` and `failwith "nth"`. These are two helper functions which are shorthand for:
290
291         raise (Invalid_argument "List.nth");;
292         raise (Failure "nth");;
293
294 where `Invalid_argument "List.nth"` is a value of type `exn`, and so too `Failure "nth"`. When you have some value `bad` of type `exn` and evaluate the expression:
295
296         raise bad
297
298 the effect is for the program to immediately stop without evaluating any further code:
299
300         # let xcell = ref 0;;
301         val xcell : int ref = {contents = 0}
302         # let bad = Failure "test"
303           in let _ = raise bad
304           in xcell := 1;;
305         Exception: Failure "test".
306         # !xcell;;
307         - : int = 0
308
309 Notice that the line `xcell := 1` was never evaluated, so the contents of `xcell` are still `0`.
310
311 I said when you evaluate the expression:
312
313         raise bad
314
315 the effect is for the program to immediately stop. That's not exactly true. You can also programmatically arrange to *catch* errors, without the program necessarily stopping. In OCaml we do that with a `try ... with PATTERN -> ...` construct, analogous to the `match ... with PATTERN -> ...` construct:
316
317         # let foo x =
318             try
319                 if x = 1 then 10
320                 else if x = 2 then raise (Failure "two")
321                 else raise (Failure "three")
322             with Failure "two" -> 20
323             ;;
324         val foo : int -> int = <fun>
325         # foo 1;;
326         - : int = 10
327         # foo 2;;
328         - : int = 20
329         # foo 3;;
330         Exception: Failure "three".
331
332 Notice what happens here. If we call `foo 1`, then the code between `try` and `with` evaluates to `10`, with no exceptions being raised. That then is what the entire `try ... with ...` block evaluates to; and so too what `foo 1` evaluates to. If we call `foo 2`, then the code between `try` and `with` raises an exception `Failure "two"`. The pattern in the `with` clause matches that exception, so we get instead `20`. If we call `foo 3`, we again raise an exception. This exception isn't matched by the `with` block, so it percolates up to the top of the program, and then the program immediately stops.
333
334 So what I should have said is that when you evaluate the expression:
335
336         raise bad
337
338 *and that exception is never caught*, then the effect is for the program to immediately stop.
339
340 Of course, it's possible to handle errors in other ways too. There's no reason why the implementation of `List.nth` *had* to do things this way. They might instead have returned `Some a` when the list had an nth member `a`, and `None` when it does not. But it's pedagogically useful for us to think about this pattern now.
341
342 When an exception is raised, it percolates up through the code that called it, until it finds a surrounding `try ... with ...` that matches it. That might not be the first `try ... with ...` that it encounters. For example:
343
344         # try
345             try
346                 raise (Failure "blah")
347             with Failure "fooey" -> 10
348           with Failure "blah" -> 20;;
349         - : int = 20
350
351 The matching `try ... with ...` block need not *lexically surround* the site where the error was raised:
352
353         # let foo b x =
354             try
355                 b x
356             with Failure "blah" -> 20
357         in let bar x =
358             raise (Failure "blah")
359         in foo bar 0;;
360         - : int = 20
361
362 Here we call `foo bar 0`, and `foo` in turn calls `bar 0`, and `bar` raises the exception. Since there's no matching `try ... with ...` block in `bar`, we percolate back up the history of *who called this function?* and find a matching `try ... with ...` block in `foo`. This catches the error and so then the `try ... with ...` block in `foo` that called `bar` in the first place will evaluate to `20`.
363
364 OK, now this exception-handling apparatus does exemplify the second execution pattern we want to focus on. But it may bring it into clearer focus if we simplify the pattern even more. Imagine we could write code like this instead:
365
366         # let foo x =
367             try
368                 (if x = 1 then 10
369                 else abort 20) + 1
370             end
371             ;;
372
373 then if we called `foo 1`, we'd get the result `11`. If we called `foo 2`, on the other hand, we'd get `20` (note, not `21`). This exemplifies the same interesting "jump out of this part of the code" behavior that the `try ... raise ... with ...` code does, but without the details of matching which exception was raised, and handling the exception to produce a new result.
374
375 Many programming languages have this simplified exceution pattern, either instead of or alongside a `try ... with ...`-like pattern. In Lua and many other languages, `abort` is instead called `return`. The preceding example would be written:
376
377         > function foo(x)
378             local value
379             if (x == 1) then
380                 value = 10
381             else
382                 return 20
383             end
384             return value + 1
385         end
386         
387         > return foo(1)
388         11
389         
390         > return foo(2)
391         20
392
393 Okay, so that's our second execution pattern.
394
395 ##What do these have in common?##
396
397 In both of these patterns, we need to have some way to take a snapshot of where we are in the evaluation of a complex piece of code, so that we might later resume execution at that point. In the coroutine example, the two threads need to have a snapshot of where they were in the enumeration of their tree's leaves. In the abort example, we need to have a snapshot of where to pick up again if some embedded piece of code aborts. Sometimes we might distill that snapshot into a data structure like a zipper. But we might not always know how to do so; and learning how to think about these snapshots without the help of zippers will help us see patterns and similarities we might otherwise miss.
398
399 A more general way to think about these snapshots is to think of the code we're taking a snapshot of as a *function.* For example, in this code:
400
401         let foo x =
402             try
403                 (if x = 1 then 10
404                 else abort 20) + 1
405             end
406         in (foo 2) + 1;;
407
408 we can imagine a box:
409
410         let foo x =
411         +---------------------------+
412         |   try                     |
413         |       (if x = 1 then 10   |
414         |       else abort 20) + 1  |
415         |   end                     |
416         +---------------------------+
417         in (foo 2) + 1;;
418
419 and as we're about to enter the box, we want to take a snapshot of the code *outside* the box. If we decide to abort, we'd be aborting to that snapshotted code.
420
421 <!--
422 # #require "delimcc";;
423 # open Delimcc;;
424 # let reset body = let p = new_prompt () in push_prompt p (body p);;
425 val reset : ('a Delimcc.prompt -> unit -> 'a) -> 'a = <fun>
426 # let foo x = reset(fun p () -> (shift p (fun k -> if x = 1 then k 10 else 20)) + 1) in (foo 1) + 100;;
427 - : int = 111
428 # let foo x = reset(fun p () -> (shift p (fun k -> if x = 1 then k 10 else 20)) + 1) in (foo 2) + 100;;
429 - : int = 120
430 -->
431
432