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1 [[!toc]]
2
3 Recall [[the recent homework assignment|/exercises/assignment12]] where you solved the same-fringe problem with a `make_fringe_enumerator` function, or in the Scheme version using streams instead of zippers, with a `lazy-flatten` function.
4
5 The technique illustrated in those solutions 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*.
6
7 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:
8
9         main program        next1 thread        next2 thread
10         ------------        ------------        ------------
11         start next1
12         (paused)            starting
13         (paused)            calculate first leaf
14         (paused)            <--- return it
15         start next2         (paused)            starting
16         (paused)            (paused)            calculate first leaf
17         (paused)            (paused)            <-- return it
18         compare leaves      (paused)            (paused)
19         call loop again     (paused)            (paused)
20         call next1 again    (paused)            (paused)
21         (paused)            calculate next leaf (paused)
22         (paused)            <-- return it       (paused)
23         ... and so on ...
24
25 If you want to read more about these kinds of threads, here are some links:
26
27 <!-- *  [[!wikipedia Computer_multitasking]]
28 *       [[!wikipedia Thread_(computer_science)]] -->
29
30 *       [[!wikipedia Coroutine]]
31 *       [[!wikipedia Iterator]]
32 *       [[!wikipedia Generator_(computer_science)]]
33 *       [[!wikipedia Fiber_(computer_science)]]
34 <!-- *  [[!wikipedia Green_threads]]
35 *       [[!wikipedia Protothreads]] -->
36
37 The way we built cooperative threads using `make_fringe_enumerator` 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 either required us to manually save and restore the thread's snapshotted state (a tree zipper); or else we had to use a mutable reference cell to save and restore that state for us. Using the saved state, the next invocation of the `next_leaf` function could start up again where the previous invocation left off.
38
39 It's possible to build cooperative threads without using those tools, however. Already our [[solution using streams|/exercises/assignment12#streams2]] uses neither zippers nor any mutation. Instead it saves the thread's state in explicitly-created thunks, and resumes the thread by forcing the thunk.
40
41 Some languages have a native syntax for coroutines. Here's how we'd write the same-fringe solution above using native coroutines in the language Lua:
42
43         > function fringe_enumerator (tree)
44             if tree.leaf then
45                 coroutine.yield (tree.leaf)
46             else
47                 fringe_enumerator (tree.left)
48                 fringe_enumerator (tree.right)
49             end
50         end
51         
52         > function same_fringe (tree1, tree2)
53             local next1 = coroutine.wrap (fringe_enumerator)
54             local next2 = coroutine.wrap (fringe_enumerator)
55             local function loop (leaf1, leaf2)
56                 if leaf1 or leaf2 then
57                     return leaf1 == leaf2 and loop( next1(), next2() )
58                 elseif not leaf1 and not leaf2 then
59                     return true
60                 else
61                     return false
62                 end
63             end
64             return loop (next1(tree1), next2(tree2))
65         end
66         
67         > return same_fringe ( {leaf=1}, {leaf=2} )
68         false
69         
70         > return same_fringe ( {leaf=1}, {leaf=1} )
71         true
72         
73         > return same_fringe ( {left = {leaf=1}, right = {left = {leaf=2}, right = {leaf=3}}},
74             {left = {left = {leaf=1}, right = {leaf=2}}, right = {leaf=3}} )
75         true
76
77 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.
78
79
80 ##Exceptions and Aborts##
81
82 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.
83
84 While writing OCaml code, you've probably come across errors. In fact, you've probably come across errors of several sorts. One sort of error comes about when you've got syntax errors and the OCaml interpreter isn't even able to parse your code. A second sort of error is type errors, as in:
85
86         # let lst = [1; 2] in
87           "a" :: lst;;
88         Error: This expression has type int list
89                but an expression was expected of type string list
90
91 Type errors are also detected and reported before OCaml attempts to execute or evaluate your code. But you may also have encountered a third kind of error, that arises while your program is running. For example:
92
93         # 1/0;;
94         Exception: Division_by_zero.
95         # List.nth [1;2] 10;;
96         Exception: Failure "nth".
97
98 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 standard implementation of `List.nth`:
99
100         let nth l n =
101           if n < 0 then invalid_arg "List.nth" else
102           let rec nth_aux l n =
103             match l with
104             | [] -> failwith "nth"
105             | a::l -> if n = 0 then a else nth_aux l (n-1)
106           in nth_aux l n
107
108 (The Juli8 version of `List.nth` only differs in sometimes raising a different error.) Notice the two clauses `invalid_arg "List.nth"` and `failwith "nth"`. These are two helper functions which are shorthand for:
109
110         raise (Invalid_argument "List.nth");;
111         raise (Failure "nth");;
112
113 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:
114
115         raise bad
116
117 the effect is for the program to immediately stop without evaluating any further code:
118
119         # let xcell = ref 0;;
120         val xcell : int ref = {contents = 0}
121         # let bad = Failure "test"
122           in let _ = raise bad
123           in xcell := 1;;
124         Exception: Failure "test".
125         # !xcell;;
126         - : int = 0
127
128 Notice that the line `xcell := 1` was never evaluated, so the contents of `xcell` are still `0`.
129
130 I said when you evaluate the expression:
131
132         raise bad
133
134 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. (In OCaml 4.02 and higher, there is also a more inclusive construct that combines these, `match ... with PATTERN -> ... | exception PATTERN -> ...`.)
135
136         # let foo x =
137             try
138                 (if x = 1 then 10
139                 else if x = 2 then raise (Failure "two")
140                 else raise (Failure "three")
141                 ) + 100
142             with Failure "two" -> 20
143             ;;
144         val foo : int -> int = <fun>
145         # foo 1;;
146         - : int = 110
147         # foo 2;;
148         - : int = 20
149         # foo 3;;
150         Exception: Failure "three".
151
152 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.
153
154 So what I should have said is that when you evaluate the expression:
155
156         raise bad
157
158 *and that exception is never caught*, then the effect is for the program to immediately stop.
159
160 **Trivia**: what's the type of the `raise (Failure "two")` in:
161
162         if x = 1 then 10
163         else raise (Failure "two")
164
165 What's its type in:
166
167         if x = 1 then "ten"
168         else raise (Failure "two")
169
170 So now what do you expect the type of this to be:
171
172         fun x -> raise (Failure "two")
173
174 How about this:
175
176         (fun x -> raise (Failure "two") : 'a -> 'a)
177
178 Remind you of anything we discussed earlier? (At one point earlier in term we were asking whether you could come up with any functions of type `'a -> 'a` other than the identity function.)
179
180 **/Trivia.**
181
182 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.
183
184 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:
185
186         # try
187             try
188                 (raise (Failure "blah")
189                 ) + 100
190             with Failure "fooey" -> 10
191           with Failure "blah" -> 20;;
192         - : int = 20
193
194 The matching `try ... with ...` block need not *lexically surround* the site where the error was raised:
195
196         # let foo b x =
197             try
198                 (b x
199                 ) + 100
200             with Failure "blah" -> 20
201         in let bar x =
202             raise (Failure "blah")
203         in foo bar 0;;
204         - : int = 20
205
206 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`.
207
208 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:
209
210         # let foo x =
211             try begin
212                 (if x = 1 then 10
213                 else abort 20
214                 ) + 100
215             end
216             ;;
217
218 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.
219
220 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:
221
222         > function foo(x)
223             local value
224             if (x == 1) then
225                 value = 10
226             else
227                 return 20         -- abort early
228             end
229             return value + 100    -- in a language like Scheme, you could omit the `return` here
230                                   -- but in Lua, a function's normal result must always be explicitly `return`ed
231         end
232         
233         > return foo(1)
234         110
235         
236         > return foo(2)
237         20
238
239 Okay, so that's our second execution pattern.
240
241 ##What do these have in common?##
242
243 In both of these patterns --- coroutines and exceptions/aborts --- 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.
244
245 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:
246
247         let foo x =
248             try begin
249                 (if x = 1 then 10
250                 else abort 20
251                 ) + 100
252             end
253         in (foo 2) + 1;;
254
255 we can imagine a box:
256
257         let foo x =
258         +---try begin----------------+
259         |       (if x = 1 then 10    |
260         |       else abort 20        |
261         |       ) + 100              |
262         +---end----------------------+
263         in (foo 2) + 1000;;
264
265 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.
266
267
268 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:
269
270         let x = 2
271         in let foo_result =
272         +---try begin----------------+
273         |       (if x = 1 then 10    |
274         |       else abort 20        |
275         |       ) + 100              |
276         +---end----------------------+
277         in (foo_result) + 1000;;
278
279 and we can think of the code starting with `let foo_result = ...` as a function, with the box being its parameter, like this:
280
281     let foo_result = < >
282     in foo_result + 100
283
284 or, spelling out the gap `< >` as a bound variable:
285
286         fun box ->
287             let foo_result = box
288             in (foo_result) + 1000
289
290 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:
291
292         let x = 2
293         in let snapshot = fun box ->
294             let foo_result = box
295             in (foo_result) + 1000
296         in let value =
297             (if x = 1 then 10
298             else ... (* we'll come back to this part *)
299             ) + 100
300         in shapshot value;;
301
302 But now how should the `abort 20` part, that we ellided here, work? What should happen when we try to evaluate that?
303
304 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:
305
306         let x = 2
307         in let snapshot = fun box ->
308             let foo_result = box
309             in (foo_result) + 1000
310         in let value =
311             (if x = 1 then 10
312             else snapshot 20
313             ) + 100
314         in shapshot value;;
315
316 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:
317
318         let x = 2
319         in let snapshot = fun box ->
320             let foo_result = box
321             in (foo_result) + 1000
322         in let value =
323             (if x = 1 then 10
324             else snapshot 20 THEN STOP
325             ) + 100
326         in shapshot value;;
327
328 We can get that by some further rearranging of the code:
329
330         let x = 2
331         in let snapshot = fun box ->
332             let foo_result = box
333             in (foo_result) + 1000
334         in let continue_normally = fun from_value ->
335             let value = from_value + 100
336             in snapshot value
337         in
338             if x = 1 then continue_normally 10
339             else snapshot 20;;
340
341 And this is indeed what is happening, at a fundamental level, when you use an expression like `abort 20`.
342
343 <!--
344 # #require "delimcc";;
345 # open Delimcc;;
346 # let reset body = let p = new_prompt () in push_prompt p (body p);;
347 # let test_cps x =
348       let snapshot = fun box ->
349           let foo_result = box
350           in (foo_result) + 1000
351       in let continue_normally = fun from_value ->
352           let value = from_value + 100
353           in snapshot value
354       in if x = 1 then continue_normally 10
355       else snapshot 20;;
356
357         let foo x =
358         +===try begin================+
359         |       (if x = 1 then 10    |
360         |       else abort 20        |
361         |       ) + 100              |
362         +===end======================+
363         in (foo 2) + 1000;;
364
365 # let test_shift x =
366     let foo x = reset(fun p () ->
367         (shift p (fun k ->
368             if x = 1 then k 10 else 20)
369         ) + 100)
370     in foo z + 1000;;
371
372 # test_cps 1;;
373 - : int = 1110
374 # test_shift 1;;
375 - : int = 1110
376 # test_cps 2;;
377 - : int = 1020
378 # test_shift 2;;
379 - : int = 1020
380 -->
381
382 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.
383
384 ##Continuations, finally##
385
386 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.
387
388 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.
389
390 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.
391
392 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 our [[abortable list traversals|/topics/week12_abortable_traversals]].
393
394 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).
395
396 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.
397
398 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.
399
400 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.
401
402 This inversion of who is the argument and who is the function receiving the argument is paradigmatic of working with continuations.
403
404 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.
405
406 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:
407
408         let foo x =
409             try begin
410                 (if x = 1 then 10
411                 else abort 20
412                 ) + 100
413             end
414         in (foo 2) + 1000;;
415
416 into this:
417
418         let x = 2
419         in let snapshot = fun box ->
420             let foo_result = box
421             in (foo_result) + 1000
422         in let continue_normally = fun from_value ->
423             let value = from_value + 100
424             in snapshot value
425         in
426             if x = 1 then continue_normally 10
427             else snapshot 20;;
428
429 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.
430
431 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 ...)`.
432
433 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).
434
435 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.
436
437 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.
438