week9 reference tweak
[lambda.git] / assignment9.mdwn
index 2277a92..3ec13ae 100644 (file)
@@ -4,7 +4,6 @@ Using continuations to solve the same-fringe problem
 The problem
 -----------
 
-We've seen two solutions to the same fringe problem so far.  
 The problem, recall, is to take two trees and decide whether they have
 the same leaves in the same order.
 
@@ -26,106 +25,157 @@ let tc = Node (Leaf 1, Node (Leaf 3, Leaf 2));;
 So `ta` and `tb` are different trees that have the same fringe, but
 `ta` and `tc` are not.
 
+We've seen two solutions to the same fringe problem so far.  
 The simplest solution is to map each tree to a list of its leaves,
 then compare the lists.  But because we will have computed the entire
 fringe before starting the comparison, if the fringes differ in an
 early position, we've wasted our time examining the rest of the trees.
 
 The second solution was to use tree zippers and mutable state to
-simulate coroutines (see [[coroutines and aborts]]).  In that
-solution, we pulled the zipper on the first tree until we found the
-next leaf, then stored the zipper structure in the mutable variable
-while we turned our attention to the other tree.  Because we stopped
-as soon as we find the first mismatched leaf, this solution does not
-have the flaw just mentioned of the solution that maps both trees to a
-list of leaves before beginning comparison.
+simulate coroutines (see [[coroutines and aborts]], and
+[[assignment8]]).  In that solution, we pulled the zipper on the first
+tree until we found the next leaf, then stored the zipper structure in
+a mutable variable while we turned our attention to the other tree.
+This solution is efficient: the zipper doesn't visit any leaves beyond
+the first mismatch.
 
 Since zippers are just continuations reified, we expect that the
 solution in terms of zippers can be reworked using continuations, and
 this is indeed the case.  Your assignment is to show how.
 
-TO-DO LIST for solving the problem
-----------------------------------
+The first step is to review your answer to [[assignment8]], and make
+sure you understand what is going on.
+
 
-1.  Review the simple but inefficient solution (easy).
-2.  Understand the zipper/mutable state solution in [[coroutines and aborts]] (harder).
+Two strategies for solving the problem
+--------------------------------------
 
-3.  Two obvious approaches: 
 
-a.  Review the list-zipper/list-continuation example given in
+1.  Review the list-zipper/list-continuation example given in
     class in [[from list zippers to continuations]]; then
     figure out how to re-functionalize the zippers used in the zipper
     solution.
 
-b.  Review the tree_monadizer application of continuations that maps a
-tree to a list of leaves in [[manipulating trees with monads]].  Spend
-some time trying to understand exactly what it does.  Suggestion:
-compute the transformation for a tree with two leaves, performing all
-beta reduction by hand using the definitions for bind_continuation and
-so on.  If you take this route, study the description of streams (a
-particular kind of data structure) below.  The goal will be to arrange
-for the continuation-flavored tree_monadizer to transform a tree into
-a stream instead of into a list.  Once you've done that, completing
-the same-fringe problem will be easy. 
+2.  Review how the continuation-flavored `tree_monadizer` managed to
+    map a tree to a list of its leaves, in [[manipulating trees with monads]].
+    Spend some time trying to understand exactly what it
+    does: compute the tree-to-list transformation for a tree with two
+    leaves, performing all beta reduction by hand using the
+    definitions for `continuation_bind`, `continuation_unit` and so on.
+    If you take this route, study the description of **streams** (a
+    particular kind of data structure) below.  The goal will be to
+    arrange for the continuation-flavored `tree_monadizer` to transform
+    a tree into a stream instead of into a list.  Once you've done
+    that, completing the same-fringe problem will be easy.
 
 -------------------------------------
 
 Whichever method you choose, here are some goals to consider.
 
 1.  Make sure that your solution gives the right results on the trees
-given above.
+given above (`ta`, `tb`, and `tc`).
 
 2.  Make sure your function works on trees that contain only a single
-leaf, and when the two trees have different numbers of leaves.
+leaf, as well as when the two trees have different numbers of leaves.
 
-3.  Figure out a way to prove that your solution satisfies the
-requirements of the problem, in particular, that when the trees differ
+3.  Figure out a way to prove that your solution satisfies the main
+requirement of the problem; in particular, that when the trees differ
 in an early position, your code does not waste time visiting the rest
 of the tree.  One way to do this is to add print statements to your
 functions so that every time you visit a leaf (say), a message is
-printed on the output.  
+printed on the output. (In OCaml: `print_int 1` prints an `int`, `print_string "foo"` prints a `string`, `print_newline ()` prints a line break, and `print_endline "foo"` prints a string followed by a line break.) If two trees differ in the middle of their fringe, you should show that your solution prints debugging information for the first half of the fringe, but then stops.
 
 4.  What if you had some reason to believe that the trees you were
 going to compare were more likely to differ in the rightmost region?
-What would you have to change in your solution so that it compared the
-fringe from right to left?
+What would you have to change in your solution so that it worked from
+right to left?
 
 Streams
 -------
 
-A stream is like a list in that it contains a series of objects (all
-of the same type, here, type `'a`).  It differs from a list in that
-the tail of the list is left uncomputed until needed.  We will turn
-the stream on and off by thunking it (see class notes for [[week6]] 
-on thunks, as well as [[assignment5]]). 
+A stream is like a list in that it wraps a series of elements of a single type.
+It differs from a list in that the tail of the series is left uncomputed
+until needed.  We will turn the stream on and off by thunking it (see
+class notes for [[week6]] on thunks, as well as [[assignment5]]).
 
     type 'a stream = End | Next of 'a * (unit -> 'a stream);;
 
-The first object in the stream corresponds to the head of a list,
-which we pair with a stream representing the rest of a the list.
 There is a special stream called `End` that represents a stream that
 contains no (more) elements, analogous to the empty list `[]`.
-
-Actually, we pair each element not with a stream, but with a thunked
-stream, that is, a function from the unit type to streams.  The idea
-is that the next element in the stream is not computed until we forced
-the thunk by applying it to the unit:
+Streams that are not empty contain a first object, paired with a
+thunked stream representing the rest of the series.  In order to get
+access to the next element in the stream, we must *force* the thunk by
+applying it to the unit.  Watch the behavior of this stream in detail.
+This stream delivers the natural numbers, in order: 1, 2, 3, ...
 
 <pre>
 # let rec make_int_stream i = Next (i, fun () -> make_int_stream (i + 1));;
 val make_int_stream : int -> int stream = [fun]
+
 # let int_stream = make_int_stream 1;;
 val int_stream : int stream = Next (1, [fun])         (* First element: 1 *)
-# match int_stream with Next (i, rest) -> rest;;      
-- : unit -> int stream = [fun]                        (* Rest: a thunk *)
+
+# let tail = match int_stream with Next (i, rest) -> rest;;      
+val tail : unit -> int stream = [fun]                 (* Tail: a thunk *)
 
 (* Force the thunk to compute the second element *)
-# (match int_stream with Next (i, rest) -> rest) ();;
-- : int stream = Next (2, [fun])      
+# tail ();;
+- : int stream = Next (2, [fun])                      (* Second element: 2 *)
+
+# match tail () with Next (_, rest) -> rest ();;
+- : int stream = Next (3, [fun])                      (* Third element: 3 *)
 </pre>
 
 You can think of `int_stream` as a functional object that provides
 access to an infinite sequence of integers, one at a time.  It's as if
-we had written `[1;2;...]` where `...` meant "continue indefinitely".
+we had written `[1;2;...]` where `...` meant "continue for as long as
+some other process needs new integers".
+
+
+<!--
+With streams in hand, we need only rewrite our continuation tree
+monadizer so that instead of mapping trees to lists, it maps them to 
+streams.  Instead of 
+
+       # tree_monadize (fun a k -> a :: k a) t1 (fun t -> []);;
+       - : int list = [2; 3; 5; 7; 11]
+
+as above, we have 
+
+        # tree_monadize (fun i k -> Next (i, fun () -> k ())) t1 (fun _ -> End);;
+        - : int stream = Next (2, <fun>)
+
+We can see the first element in the stream, the first leaf (namely,
+2), but in order to see the next, we'll have to force a thunk.
+
+Then to complete the same-fringe function, we simply convert both
+trees into leaf-streams, then compare the streams element by element.
+The code is entirely routine, but for the sake of completeness, here it is:
+
+       let rec compare_streams stream1 stream2 =
+               match stream1, stream2 with 
+               | End, End -> true (* Done!  Fringes match. *)
+               | Next (next1, rest1), Next (next2, rest2) when next1 = next2 -> compare_streams (rest1 ()) (rest2 ())
+               | _ -> false;;
+
+       let same_fringe t1 t2 =
+         let stream1 = tree_monadize (fun i k -> Next (i, fun () -> k ())) t1 (fun _ -> End) in 
+         let stream2 = tree_monadize (fun i k -> Next (i, fun () -> k ())) t2 (fun _ -> End) in 
+         compare_streams stream1 stream2;;
+
+Notice the forcing of the thunks in the recursive call to
+`compare_streams`.  So indeed:
+
+       # same_fringe ta tb;;
+       - : bool = true
+       # same_fringe ta tc;;
+       - : bool = false
+
+Now, you might think that this implementation is a bit silly, since in
+order to convert the trees to leaf streams, our `tree_monadizer`
+function has to visit every node in the tree, so we'd have to traverse
+the entire tree at some point.  But you'd be wrong: part of what gets
+suspended in the thunking of the stream is the computation of the rest
+of the monadized tree.
 
+-->