非平凡的惰性求值

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非平凡的惰性求值

我正在阅读Keegan McAllister的演示文稿《为什么要学习Haskell?》。他在其中使用了以下代码片段作为Haskell懒惰求值的示例:\nminimum = head . sort\n\n并称Haskell中的minimum具有时间复杂度O(n)。然而,我认为这个示例有点学术性质。因此,我想要一个更实际的例子,其中不容易明显地看出大部分中间计算被丢弃。

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在处理无限序列的情况下,出现了(Non-Trivial Lazy Evaluation)这个问题。如果没有使用延迟求值,那么在生成步骤中程序将永远运行下去,而不会有任何消耗。而使用延迟求值,只有在代码尝试消耗元素时才会生成相应数量的元素。

这个问题的出现是因为在处理无限序列时,我们不能一次性生成所有的元素,因为无限序列是无限长的。因此,我们需要在需要时才生成元素,以避免无限循环。

解决这个问题的方法是使用延迟求值。延迟求值是一种策略,它只在需要时才计算表达式的值。在处理无限序列时,我们可以使用延迟求值来仅生成代码需要的元素。这样,我们可以避免无限循环,并且只生成代码需要的元素,从而提高效率。

延迟求值的实现方式是使用惰性函数。惰性函数是一种特殊的函数,它只有在被调用时才会执行。在处理无限序列时,我们可以将生成元素的逻辑封装在一个惰性函数中。当代码需要消耗元素时,惰性函数会被调用,并生成相应数量的元素。

下面是一个示例代码,用于生成和消耗无限序列的前n个元素:

def lazy_sequence():
    i = 0
    while True:
        yield i
        i += 1
def consume_elements(n):
    sequence = lazy_sequence()
    for _ in range(n):
        print(next(sequence))
consume_elements(5)

在上面的代码中,我们定义了一个惰性函数lazy_sequence(),它使用yield关键字生成无限序列的元素。然后,我们定义了一个consume_elements()函数,它使用lazy_sequence()生成的序列,并打印前n个元素。

通过使用延迟求值和惰性函数,我们可以解决处理无限序列时的(Non-Trivial Lazy Evaluation)问题。代码只在需要时才生成元素,避免了无限循环,并提高了效率。

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懒惰求值(Lazy Evaluation)是一种编程语言中的特性,它允许仅在需要时才计算表达式的值。然而,在某些情况下,这种特性可能导致一些问题,例如在处理大量数据时,懒惰求值可能会导致性能问题。

一个典型的例子是求解汉明数(Hamming numbers)的问题。汉明数是指没有大于5的质因子的数,它们的形式为2^i * 3^j * 5^k。下面给出了汉明数的前20个数和第500000个数的示例。

汉明数的计算可以通过递归的方式进行,但在非懒惰求值的语言中,需要编写更多的代码来处理这个问题。下面的代码是计算第500000个汉明数的程序。

merge xxs@(x:xs) yys@(y:ys) =

case (x`compare`y) of

LT -> x:merge xs yys

EQ -> x:merge xs ys

GT -> y:merge xxs ys

hamming = 1 : m 2 `merge` m 3 `merge` m 5

where

m k = map (k *) hamming

main = print (hamming !! 499999)

这段代码利用了懒惰求值的特性,通过递归和合并操作来计算汉明数。在打印出第500000个汉明数之前,程序会进行一段时间的计算。

然而,在非懒惰求值的语言中,要以合理的速度计算出第500000个汉明数需要更多的代码和思考。可以在这里找到更多的示例。

懒惰求值的出现原因是为了提高程序的性能和效率。通过只在需要时计算表达式的值,可以避免不必要的计算和内存消耗。然而,在某些情况下,懒惰求值可能会导致性能问题,需要谨慎使用。

解决懒惰求值带来的性能问题的方法是使用适当的技术和优化策略。可以通过使用严格求值(Strict Evaluation)来避免懒惰求值带来的性能问题。严格求值会立即计算表达式的值,而不是等到需要时再计算。这样可以确保计算在合理的时间内完成,避免性能问题。

总之,懒惰求值是一种编程语言中的特性,它可以提高程序的性能和效率。然而,在某些情况下,懒惰求值可能会导致性能问题,需要谨慎使用。解决懒惰求值带来的性能问题的方法是使用适当的技术和优化策略,例如严格求值。

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延迟计算是一种解决复杂问题的方法,它允许在需要时才计算值,而不是立即计算。这种方法在Haskell编程语言中得到了广泛应用,并且解决了许多常见的问题。

首先,延迟计算可用于编写人工智能(AI)程序。在传统的编程语言中,为了改进AI的性能,需要通过树遍历函数传递剪枝信息。这意味着每次想要改进AI时,都需要编写一个新的树遍历函数。而使用延迟计算,只需要编写一次树遍历函数,生成一个巨大(甚至是无限)的游戏树,然后由消费者决定要消耗多少。

其次,延迟计算可以用于编写显示大量信息的GUI程序。在其他语言中,可能需要编写仅渲染可见场景的代码。但在Haskell中,可以编写渲染整个场景的代码,然后在程序运行时选择要观察的像素。类似地,渲染复杂场景时,可以计算出不同细节级别的无限场景序列,并在程序运行时选择最合适的场景。

此外,延迟计算还可用于提高函数的速度。在其他语言中,为了加速函数的执行,需要构建一个数据结构来跟踪函数的已知输入,并在遇到新输入时更新该结构。而在Haskell中,可以构建一个包含每个可能输入的无限数据结构,并计算与所关心输入对应的数据结构的部分。纯度使得线程安全成为可能。

最后,延迟计算使得可以编写全新的短路形式。例如,在Haskell中,可以使用"<|>"函数组合Maybe值,它会选择第一个具有值的参数。这种函数是短路的,如果第一个参数是Just类型,则不会计算获取第二个参数所需的计算。延迟计算使得可以编写全新的短路形式,而不仅仅局限于语言的内置运算符。

延迟计算的一个共同主题是将值的生成与确定哪些值有趣分开。这使得组件更加可组合,因为生产者无需知道什么是有趣的。

然而,延迟计算也有其限制。当无法存储所有可能的结果时,例如只能存储前n个最常计算的结果时,纯度反而使得记忆化变得更加困难。这是因为在Haskell中,只有在编译时才能确定哪些结果是最常计算的。

延迟计算是一种强大的编程技术,在Haskell中得到了广泛应用。它解决了许多常见的问题,并为编程带来了许多便利和灵活性。

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