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1 [[!toc]]
2
3
4 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*.
5
6 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:
7
8         main program        next1 thread        next2 thread
9         ------------        ------------        ------------
10         start next1
11         (paused)            starting
12         (paused)            calculate first leaf
13         (paused)            <--- return it
14         start next2         (paused)            starting
15         (paused)            (paused)            calculate first leaf
16         (paused)            (paused)            <-- return it
17         compare leaves      (paused)            (paused)
18         call loop again     (paused)            (paused)
19         call next1 again    (paused)            (paused)
20         (paused)            calculate next leaf (paused)
21         (paused)            <-- return it       (paused)
22         ... and so on ...
23
24 If you want to read more about these kinds of threads, here are some links:
25
26 <!-- *  [[!wikipedia Computer_multitasking]]
27 *       [[!wikipedia Thread_(computer_science)]] -->
28
29 *       [[!wikipedia Coroutine]]
30 *       [[!wikipedia Iterator]]
31 *       [[!wikipedia Generator_(computer_science)]]
32 *       [[!wikipedia Fiber_(computer_science)]]
33 <!-- *  [[!wikipedia Green_threads]]
34 *       [[!wikipedia Protothreads]] -->
35
36 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.
37
38 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:
39
40         > function fringe_enumerator (tree)
41             if tree.leaf then
42                 coroutine.yield (tree.leaf)
43             else
44                 fringe_enumerator (tree.left)
45                 fringe_enumerator (tree.right)
46             end
47         end
48         
49         > function same_fringe (tree1, tree2)
50             local next1 = coroutine.wrap (fringe_enumerator)
51             local next2 = coroutine.wrap (fringe_enumerator)
52             local function loop (leaf1, leaf2)
53                 if leaf1 or leaf2 then
54                     return leaf1 == leaf2 and loop( next1(), next2() )
55                 elseif not leaf1 and not leaf2 then
56                     return true
57                 else
58                     return false
59                 end
60             end
61             return loop (next1(tree1), next2(tree2))
62         end
63         
64         > return same_fringe ( {leaf=1}, {leaf=2} )
65         false
66         
67         > return same_fringe ( {leaf=1}, {leaf=1} )
68         true
69         
70         > return same_fringe ( {left = {leaf=1}, right = {left = {leaf=2}, right = {leaf=3}}},
71             {left = {left = {leaf=1}, right = {leaf=2}}, right = {leaf=3}} )
72         true
73
74 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 or dedicated native syntax to rely on.
75
76
77 ##Exceptions and Aborts##
78
79 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.
80
81 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:
82
83         # let lst = [1; 2] in
84           "a" :: lst;;
85         Error: This expression has type int list
86                but an expression was expected of type string list
87
88 But you may also have encountered other kinds of error, that arise while your program is running. For example:
89
90         # 1/0;;
91         Exception: Division_by_zero.
92         # List.nth [1;2] 10;;
93         Exception: Failure "nth".
94
95 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`:
96
97         let nth l n =
98           if n < 0 then invalid_arg "List.nth" else
99           let rec nth_aux l n =
100             match l with
101             | [] -> failwith "nth"
102             | a::l -> if n = 0 then a else nth_aux l (n-1)
103           in nth_aux l n
104
105 Notice the two clauses `invalid_arg "List.nth"` and `failwith "nth"`. These are two helper functions which are shorthand for:
106
107         raise (Invalid_argument "List.nth");;
108         raise (Failure "nth");;
109
110 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:
111
112         raise bad
113
114 the effect is for the program to immediately stop without evaluating any further code:
115
116         # let xcell = ref 0;;
117         val xcell : int ref = {contents = 0}
118         # let bad = Failure "test"
119           in let _ = raise bad
120           in xcell := 1;;
121         Exception: Failure "test".
122         # !xcell;;
123         - : int = 0
124
125 Notice that the line `xcell := 1` was never evaluated, so the contents of `xcell` are still `0`.
126
127 I said when you evaluate the expression:
128
129         raise bad
130
131 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:
132
133         # let foo x =
134             try
135                 (if x = 1 then 10
136                 else if x = 2 then raise (Failure "two")
137                 else raise (Failure "three")
138                 ) + 100
139             with Failure "two" -> 20
140             ;;
141         val foo : int -> int = <fun>
142         # foo 1;;
143         - : int = 110
144         # foo 2;;
145         - : int = 20
146         # foo 3;;
147         Exception: Failure "three".
148
149 Notice what happens here. If we call `foo 1`, then the code between `try` and `with` evaluates to `110`, 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.
150
151 So what I should have said is that when you evaluate the expression:
152
153         raise bad
154
155 *and that exception is never caught*, then the effect is for the program to immediately stop.
156
157 Trivia: what's the type of the `raise (Failure "two")` in:
158
159         if x = 1 then 10
160         else raise (Failure "two")
161
162 What's its type in:
163
164         if x = 1 then "ten"
165         else raise (Failure "two")
166
167 So now what do you expect the type of this to be:
168
169         fun x -> raise (Failure "two")
170
171 How about this:
172
173         (fun x -> raise (Failure "two") : 'a -> 'a)
174
175 Remind you of anything we discussed earlier? /Trivia.
176
177 Of course, it's possible to handle errors in other ways too. There's no reason why the implementation of `List.nth` *had* to raise an exception. 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 the exception-raising pattern now.
178
179 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:
180
181         # try
182             try
183                 (raise (Failure "blah")
184                 ) + 100
185             with Failure "fooey" -> 10
186           with Failure "blah" -> 20;;
187         - : int = 20
188
189 The matching `try ... with ...` block need not *lexically surround* the site where the error was raised:
190
191         # let foo b x =
192             try
193                 (b x
194                 ) + 100
195             with Failure "blah" -> 20
196         in let bar x =
197             raise (Failure "blah")
198         in foo bar 0;;
199         - : int = 20
200
201 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 that function, and we find a matching `try ... with ...` block in `foo`. This catches the error and so then the `try ... with ...` block in `foo` (the code that called `bar` in the first place) will evaluate to `20`.
202
203 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:
204
205         # let foo x =
206             try begin
207                 (if x = 1 then 10
208                 else abort 20
209                 ) + 100
210             end
211             ;;
212
213 then if we called `foo 1`, we'd get the result `110`. If we called `foo 2`, on the other hand, we'd get `20` (note, not `120`). 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.
214
215 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`. In Lua, the preceding example would be written:
216
217         > function foo(x)
218             local value
219             if (x == 1) then
220                 value = 10
221             else
222                 return 20         -- abort early
223             end
224             return value + 100    -- in Lua, a function's normal value
225                                   -- must always also be explicitly returned
226         end
227         
228         > return foo(1)
229         110
230         
231         > return foo(2)
232         20
233
234 Okay, so that's our second execution pattern.
235
236 ##What do these have in common?##
237
238 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.
239
240 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:
241
242         let foo x =
243             try begin
244                 (if x = 1 then 10
245                 else abort 20
246                 ) + 100
247             end
248         in (foo 2) + 1;;
249
250 we can imagine a box:
251
252         let foo x =
253         +---try begin----------------+
254         |       (if x = 1 then 10    |
255         |       else abort 20        |
256         |       ) + 100              |
257         +---end----------------------+
258         in (foo 2) + 1000;;
259
260 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.
261
262
263 What would a "snapshot of the code outside the box" look like? Well, let's rearrange the code somewhat. It should be equivalent to this:
264
265         let x = 2
266         in let foo_result =
267         +---try begin----------------+
268         |       (if x = 1 then 10    |
269         |       else abort 20        |
270         |       ) + 100              |
271         +---end----------------------+
272         in (foo_result) + 1000;;
273
274 and we can think of the code starting with `let foo_result = ...` as a function, with the box being its parameter, like this:
275
276         fun box ->
277             let foo_result = box
278             in (foo_result) + 1000
279
280 That function is our "snapshot". Normally what happens is that code *inside* the box delivers up a value, and that value gets supplied as an argument to the snapshot-function just described. That is, our code is essentially working like this:
281
282         let x = 2
283         in let snapshot = fun box ->
284             let foo_result = box
285             in (foo_result) + 1000
286         in let value =
287             (if x = 1 then 10
288             else ... (* we'll come back to this part *)
289             ) + 100
290         in shapshot value;;
291
292 But now how should the `abort 20` part, that we ellided here, work? What should happen when we try to evaluate that?
293
294 Well, that's when we use the snapshot code in an unusual way. If we encounter an `abort 20`, we should abandon the code we're currently executing, and instead just supply `20` to the snapshot we saved when we entered the box. That is, something like this:
295
296         let x = 2
297         in let snapshot = fun box ->
298             let foo_result = box
299             in (foo_result) + 1000
300         in let value =
301             (if x = 1 then 10
302             else snapshot 20
303             ) + 100
304         in shapshot value;;
305
306 Except that isn't quite right, yet---in this fragment, after the `snapshot 20` code is finished, we'd pick up again inside `let value = (...) + 100 in snapshot value`. That's not what we want. We don't want to pick up again there. We want instead to do this:
307
308         let x = 2
309         in let snapshot = fun box ->
310             let foo_result = box
311             in (foo_result) + 1000
312         in let value =
313             (if x = 1 then 10
314             else snapshot 20 THEN STOP
315             ) + 100
316         in shapshot value;;
317
318 We can get that by some further rearranging of the code:
319
320         let x = 2
321         in let snapshot = fun box ->
322             let foo_result = box
323             in (foo_result) + 1000
324         in let continue_normally = fun from_value ->
325             let value = from_value + 100
326             in snapshot value
327         in
328             if x = 1 then continue_normally 10
329             else snapshot 20;;
330
331 And this is indeed what is happening, at a fundamental level, when you use an expression like `abort 20`.
332
333 <!--
334 # #require "delimcc";;
335 # open Delimcc;;
336 # let reset body = let p = new_prompt () in push_prompt p (body p);;
337 # let test_cps x =
338       let snapshot = fun box ->
339           let foo_result = box
340           in (foo_result) + 1000
341       in let continue_normally = fun from_value ->
342           let value = from_value + 100
343           in snapshot value
344       in if x = 1 then continue_normally 10
345       else snapshot 20;;
346
347         let foo x =
348         +===try begin================+
349         |       (if x = 1 then 10    |
350         |       else abort 20        |
351         |       ) + 100              |
352         +===end======================+
353         in (foo 2) + 1000;;
354
355 # let test_shift x =
356     let foo x = reset(fun p () ->
357         (shift p (fun k ->
358             if x = 1 then k 10 else 20)
359         ) + 100)
360     in foo z + 1000;;
361
362 # test_cps 1;;
363 - : int = 1110
364 # test_shift 1;;
365 - : int = 1110
366 # test_cps 2;;
367 - : int = 1020
368 # test_shift 2;;
369 - : int = 1020
370 -->
371
372 A similar kind of "snapshotting" lets coroutines keep track of where they left off, so that they can start up again at that same place.
373
374 ##Continuations, finally##
375
376 These snapshots are called **continuations** because they represent how the computation will "continue" once some target code (in our example, the code in the box) delivers up a value.
377
378 You can think of them as functions that represent "how the rest of the computation proposes to continue." Except that, once we're able to get our hands on those functions, we can do exotic and unwholesome things with them. Like use them to suspend and resume a thread. Or to abort from deep inside a sub-computation: one function might pass the command to abort *it* to a subfunction, so that the subfunction has the power to jump directly to the outside caller. Or a function might *return* its continuation function to the outside caller, giving *the outside caller* the ability to "abort" the function (the function that has already returned its value---so what should happen then?) Or we may call the same continuation function *multiple times* (what should happen then?). All of these weird and wonderful possibilities await us.
379
380 The key idea behind working with continuations is that we're *inverting control*. In the fragment above, the code `(if x = 1 then ... else snapshot 20) + 100`---which is written as if it were to supply a value to the outside context that we snapshotted---itself *makes non-trivial use of* that snapshot. So it has to be able to refer to that snapshot; the snapshot has to somehow be available to our inside-the-box code as an *argument* or bound variable. That is: the code that is *written* like it's supplying an argument to the outside context is instead *getting that context as its own argument*. He who is written as value-supplying slave is instead become the outer context's master.
381
382 In fact you've already seen this several times this semester---recall how in our implementation of pairs in the untyped lambda-calculus, the handler who wanted to use the pair's components had *in the first place to be supplied to the pair as an argument*. So the exotica from the end of the seminar was already on the scene in some of our earliest steps. Recall also what we did with v2 and v5 lists. Version 5 lists were the ones that let us abort a fold early: 
383 go back and re-read the material on "Aborting a Search Through a List" in [[Week4]].
384
385 This inversion of control should also remind you of Montague's treatment of determiner phrases in ["The Proper Treatment of Quantification in Ordinary English"](http://www.blackwellpublishing.com/content/BPL_Images/Content_store/Sample_chapter/0631215417%5CPortner.pdf) (PTQ).
386
387 A naive semantics for atomic sentences will say the subject term is of type `e`, and the predicate of type `e -> t`, and that the subject provides an argument to the function expressed by the predicate.
388
389 Monatague proposed we instead take the subject term to be of type `(e -> t) -> t`, and that now it'd be the predicate (still of type `e -> t`) that provides an argument to the function expressed by the subject.
390
391 If all the subject did then was supply an `e` to the `e -> t` it receives as an argument, we wouldn't have gained anything we weren't already able to do. But of course, there are other things the subject can do with the `e -> t` it receives as an argument. For instance, it can check whether anything in the domain satisfies that `e -> t`; or whether most things do; and so on.
392
393 This inversion of who is the argument and who is the function receiving the argument is paradigmatic of working with continuations.
394
395 Continuations come in many varieties. There are **undelimited continuations**, expressed in Scheme via `(call/cc (lambda (k) ...))` or the shorthand `(let/cc k ...)`. (`call/cc` is itself shorthand for `call-with-current-continuation`.) These capture "the entire rest of the computation." There are also **delimited continuations**, expressed in Scheme via `(reset ... (shift k ...) ...)` or `(prompt ... (control k ...) ...)` or any of several other operations. There are subtle differences between those that we won't be exploring in the seminar. Ken Shan has done terrific work exploring the relations of these operations to each other.
396
397 When working with continuations, it's easiest in the first place to write them out explicitly, the way that we explicitly wrote out the `snapshot` continuation when we transformed this:
398
399         let foo x =
400             try begin
401                 (if x = 1 then 10
402                 else abort 20
403                 ) + 100
404             end
405         in (foo 2) + 1000;;
406
407 into this:
408
409         let x = 2
410         in let snapshot = fun box ->
411             let foo_result = box
412             in (foo_result) + 1000
413         in let continue_normally = fun from_value ->
414             let value = from_value + 100
415             in snapshot value
416         in
417             if x = 1 then continue_normally 10
418             else snapshot 20;;
419
420 Code written in the latter form is said to be written in **explicit continuation-passing style** or CPS. Later we'll talk about algorithms that mechanically convert an entire program into CPS.
421
422 There are also different kinds of "syntactic sugar" we can use to hide the continuation plumbing. Of course we'll be talking about how to manipulate continuations **with a Continuation monad.** We'll also talk about a style of working with continuations where they're **mostly implicit**, but special syntax allows us to distill the implicit continuaton into a first-class value (the `k` in `(let/cc k ...)` and `(shift k ...)`.
423
424 Various of the tools we've been introducing over the past weeks are inter-related. We saw coroutines implemented first with zippers; here we've talked in the abstract about their being implemented with continuations. Oleg says that "Zipper can be viewed as a delimited continuation reified as a data structure." Ken expresses the same idea in terms of a zipper being a "defunctionalized" continuation---that is, take something implemented as a function (a continuation) and implement the same thing as an inert data structure (a zipper).
425
426 Mutation, delimited continuations, and monads can also be defined in terms of each other in various ways. We find these connections fascinating but the seminar won't be able to explore them very far.
427
428 We recommend reading [the Yet Another Haskell Tutorial on Continuation Passing Style](http://en.wikibooks.org/wiki/Haskell/YAHT/Type_basics#Continuation_Passing_Style)---though the target language is Haskell, this discussion is especially close to material we're discussing in the seminar.
429