Amizade

Primeiro que, para quem esperar algo mais científico ou algo polêmico… vão perder a viagem. Esse aqui é um texto reflexivo que eu vou fazer. “Mas você não costuma fazer texto reflexivo…”, não costumo, mas já não é a primeira vez que faço. Meu blog possui sim alguns textos de mera opinião ou mera reflexão. Se você não está habituado dê uma olhada nos textos que eu tenho no meu blog, que existem outros segmentos, e entre eles aqueles que eu simplesmente dou minha opinião ou faço alguma reflexão para vocês e depois fico lendo comentário, porque eu acho isso legal.

Já há algum tempo que eu noto esse hábito que eu acho que existe das pessoas terem uma necessidade em classificar, e inclusive classificar outras pessoas. “Amizade é uma dessa que dura décadas”, “amigo é aquele que briga pelo outro”, “amigo é aquele que se sacrifica”, “amigo é aquele que tem coragem de dizer quando você está errado”, “amigo é aquele que se coloca no lugar do outro”, “amigo é aquele que já chega dando voadora”. Primeiramente que eu vejo essas definições como uma forma de “disputar por um título” e é um ato maldoso quando você tenta estimular alguém a participar dessa “competição por quem consegue mais poder”. “sangue do meu sangue”, “você é mais que um amigo para mim, você é um irmão” e coisas do tipo entram na mesma categoria para mim, um título desnecessário que deveria ser evitado.

E segundo que eu acho essa classificação desnecessária. “Ah, não vou brincar com fulano porque fulano não é meu amigo”. Ser amigo ou não, se você quer se divertir com fulano, você devia tirar o peso dessa tarefa de classificar de sua vida e assim você poderia aproveitar ela melhor. Eu não consigo pensar em uma situação onde essa classificação é útil para você. Na verdade, enquanto escrevia essa frase me veio a mente a palavra “guerra”, mas taí outra coisa que não é útil de verdade a não ser que você esteja disputando recurso.

Viver sem essa necessidade de classificar, me lembra aquele verso, “que seja infinito enquanto dure”. Se preocupar apenas com o que é importante, e não com as “promessas”, se concentrar no agora.

Pois então, há um amigo (ta-da! eu acabo usando a palavra para não ofender as pessoas) meu que ficava me enchendo o saco porque “eu não sei o que é um amigo”. Depois de pronto, vou mandar o link desse texto para ele. E vez ou outra ele volta com essa história para mim, me pressionando a pensar no assunto em momento esporádicos.

Pois então, se nenhuma experiência havia contribuído para me fazer pensar em “o que é um amigo”, talvez alguns eventos tenham contribuído para me fazer pensar “o que NÃO é um amigo”, e dessa forma me ajudar a classificar.

Há um discurso interessante que menciona esse poder de se descrever uma vez que os opostos são expostos do Alan Watts:

“And they’re always arguing with each other. And what they don’t realize is […] neither one can take his position without the other person because you wouldn’t know what you’re advocating [..]. And that’s the answer to philosophy. You see? I’m a philosopher and I’m not gonna argue very much because if you don’t argue with me I don’t know what I think.”

E a primeira parte da classificação de amizade na qual acabei pensando é de que amigo é aquele que possui o poder de lhe ferir. Ao longo do tempo, eventos acabaram lhe expondo, você possui fraquezas que são conhecidas. Você não tem o poder de ignorar os seus atos, pois ele possui o poder de chamar sua atenção de forma especial. Você se importa com ele, pois essa característica dá mais importância à relação. Pode até ser que você se importante tanto com ele que a forma que ele tenha de lhe machucar seja lhe ignorando. Não há intenções escondidas ou necessidade de negociações. A relação entre vocês é sincera. Ela pode abusar de você de forma que outros não podem. Mas apesar do perigo de manter essa relação que pode acabar em feridas, você permite a presença dela em sua vida, essa sendo a segunda parte da classificação de amizade.

Um detalhe importante dessa forma de pensar é que amizade deve ser encarado como uma decisão (ou “loucura do destino”) e de forma nenhuma você pode encarar amizade como uma dependência. Se há alguém de quem você depende, você não pode chamar essa pessoa de amiga, pois você não tem escolha. Entretanto, se você escolheu depender de alguém, aí é outra história.

Um outro detalhe igualmente importante da “minha classificação”, caso adotada, é que ela exclui de muitas pessoas o direito de chamar de amigo um cachorro. Pois é, tenho preconceitos com pessoas que se envolvem demais com cachorros ou gatos. Para mim começa a ficar errado a partir do momento que você começa a tratar o cachorro como humano e coloca perfume e outras coisas nele. Acho que é a partir desse momento que fica doentio.

Boost.Http and Beast.HTTP joining forces

The newest update to the Boost.Http is that I had a long meeting with Vinnie Falco about a possible collaboration and a few changes are going to happen.

The official announcement was sent to the Boost mailing list and is available in the gmane archives.

What this means:

  • A lot of work making changes so projects can hopefully be merged in the future.
  • API will break again.
  • The thing I wasn’t caring about, “HTTP/1.1 oriented interface”, will be provided on a higher-level than simply an HTTP parser. This is what Beast.HTTP already provides.
  • Beast.HTTP already provides WebSocket support and HTTP client support.
  • We’ll be using a new mailing list to coordinate further development and I invite you to join the mailing list if you’re interested in the future of any of these libraries or HTTP APIs in general.

Boost.Http parser project

I’ll develop a HTTP pull parser for Boost.Http during this summer.

The story starts with Boost not being selected for Google Summer of Code this year. I wanted more funding to spend time on Boost.Http and this was unfortunate.

However, funding from other sources was announced for three projects and Boost.Http was one of the selected projects.

I’d rather work on the request router, but I don’t have a strong design for a request router right now because I’m still experimenting. A weak design would translate on a weak proposal and I decided to propose a HTTP parser.

Misc

An interesting HTTP library that carries some similarities with Boost.Http was announced on the Boost mailing list: Beast.

Uisleandro is working on a request router focused on ReST services for Boost.Http: https://github.com/BoostGSoC14/boost.http/compare/master…uisleandro:router1?expand=1.

Conquistas de 2015

Bom, uma lista de coisas que eu queria fazer e consegui fazer esse ano:

Level 20 no jogo Tibia

Há muito tempo (desde adolescência) eu queria um personagem pally lvl 20 no jogo Tibia. E esse ano, eu finalmente consegui:

shot-2015-03-09_02-12-19Cosplay do personagem coringa

Há os meus amigos que acreditavam que o cosplay do coringa não ia ficar legal, mas eu não achei:

censuradoEmprego legal

Quando eu crescesse eu gostaria de trabalhar (mesmo que de graça) com uma rede decentralizada livre ou segurança de aplicativos no Linux (que tivesse um isolamento maior entre os processos, mas fácil de usar como o Android, onde você dá permissão para cada recurso), então é legal me juntar com um time que já queria fazer uma dessas coisas e ainda ser pago por isso.

100 posts

Uma coisa que eu queria era ter 100 posts publicados nesse blog. Finalmente eu consegui. =) Agora eu posso dizer que meus objetivos com esse blog foram “cumpridos” e eu vou postar com menos frequência, só por diversão.

O que ficou de fora

  • Boost.Http não foi aceita esse ano, então vai ter que ficar para o próximo.
  • Diploma ficou de fora também. E estou querendo mudar de faculdade, então vai demorar mais (provavelmente).

Multitasking styles, event loops and asynchronous programming

There was a text that I’ve previously published here in this blog about asynchronous programming, but it was written in Portuguese. Now has come the time that I think this text should be available also in English. Translation follows below. Actually is not a “translation” per si, as I adapted the text to be more pleasant when written in English.

One of the subjects that interest me the most in programming is asynchronous programming. This is a subject that I got in touch since I started to play with Qt around 2010, but I slowly moved to new experiences and “paradigms” of asynchronous programming. Node.js and Boost.Asio were other important experiences worth mentioning. The subject caught me a lot and it was the stimulus for me to study a little of computer architecture and operating systems.

Motivation

Several times we stumble upon with problems that demand continuously handling several jobs (e.g. handling network events to mutate local files). Intuitively we may be tempted to use threads, as there are several “parallel” jobs. However, not all jobs executed by the computer are done so exclusively in the CPU.

There are other components beside the CPU. Components that are not programmable and that do not execute your algorithm. Components that are usually slower and do other jobs (e.g. converting a digital signal into an analog one). Also, the communication with these components usually happen serially, through the fetch-execute-check-interrupt cycle. There is a simplification in this argument, but the fact that you don’t read two different files from the same hard drive in parallel remains. Summarizing, using threads isn’t a “natural” abstraction to the problem, as it doesn’t “fit” and/or design the same characteristics. Using threads can add a complex and unnecessary overhead.

“If all you have is a hammer, everything looks like a nail”

Another reason to avoid threads as an answer to the problem is that soon you’ll have more threads than CPU/cores and will face the C10K problem. Even if it didn’t add an absurd overhead, just the fact that you need more threads than available CPUs will make your solution more restrict, as it won’t work on bare-metal environments (i.e. that lacks a modern operating system or a scheduler).

A great performance problem that threads add comes from the fact that they demand a kernel context-switch. Of course this isn’t the only problem, because there is also the cost involved in creating the thread, which might have a short lifetime and spend most of its lifetime sleeping. The own process of creating a thread isn’t completely scalable, because it requires the stack allocation, but the memory is a global resource and right here we have a point of contention.

The performance problem of a kernel context-switch reminds the performance problem of the function calling conventions faced by compilers, but worse.

Functions are isolated and encapsulated units and as such they should behave. When a function is called, the current function doesn’t know which registers will be used by the new function. The current function doesn’t hold the information of which of the CPU registers will be overridden during the new function lifetime. Therefore, the function calling conventions add two new points to do extra processing. One point to save state into the stack and one to restore. That’s why some programmers are so obsessed into function inlining.

The context-switch problem is worse, because the kernel must save the values of all registers and there is also the overhead of the scheduler and the context-switch itself. Processes would be even worse, as there would be the need to reconfigure the MMU. This multitasking style is given the name of preemptive multitasking. I won’t go into details, but you can always dig more into computer architecture and operating systems books (and beyond).

It’s possible to obtain concurrency, which is the property to execute several jobs in the same period of time, without real parallelism. When we do this tasks that are more IO-oriented, it can be interesting to abandon parallelism to achieve more scalability, avoiding the C10K problem. And if a new design is required, we could catch the opportunity to also take into account cooperative multitasking and obtain a result that is even better than the initially planned.

The event loop

One approach that I see, and I see used more in games than anywhere else, is the event loop approach. It’s this approach that we’ll see first.

There is this library, the SDL low level library, whose purpose is to be just a multimedia layer abstraction, to supply what isn’t already available in the C standard library, focusing on the game developer. The SDL library makes use of an event system to handle communication between the process and the external world (keyboard, mouse, windows…), which is usually used in some loop that the programmer prepares. This same structure is used in other places, including Allegro, which was the biggest competitor of SDL in the past.

The idea is to have a set of functions that make the bridge of communication between the process and the external world. In the SDL world, events are described through the non-extensible SDL_Event type. Then you use functions like SDL_PollEvent to receive events and dedicated functions to initiate operations that act on the external world. The support for asynchronous programming in the SDL library is weak, but this same event loop principle could be used in a library that would provide stronger support for asynchronous programming. Below you can find a sample that makes use of the SDL events:

There are the GUI libraries like GTK+, EFL and Qt which take this idea one step further, abstracting into an object the event loop that were previously written and rewritten by you. The Boost.Asio library, which focuses on asynchronous operations and not on GUIs, has a class of similar purpose, the io_service class.

To remove your need to write boilerplate code to route events to specific actions, the previously mentioned classes will handle this task for you, possibly using callbacks, which are an old abstraction. The idea is that you should bind events to functions that might be interested in handling those events. Now the logic to route these events belong to the “event loop object” instead a “real”/raw event loop. This style of asynchronous programming is a passive style, because you only register the callbacks and transfer the control to the framework.

Now that we’re one level of abstraction higher than event loops, let’s stop the discussion about event loops. And these objects that we referring to as “event loop objects” will be mentioned as executors from now on.

The executor

The executor is an object that can execute encapsulated units of work. Using only C++11, we can implement an executor that schedules operations related to waiting some duration of time. There is the global resource RTC and, instead of approaching the problem by creating several threads that start blocking operations like the sleep_for operation, we’ll use an executor. The executor will schedule and manage all events that are required. You can find a simple implementation for such executor following:

This code reminds me of sleepsort.

In the example, without using threads, it was possible to execute the several concurrent jobs related to waiting time. To do such thing, we gave the executor the responsibility to share the RTC global resource. Because the CPU is faster than the requested tasks, only one thread was enough and, even so, there was a period of time for which the CPU was idle.

There are some concepts to be extracted from this example. First, let’s consider that the executor is an standard abstraction, provided in some interoperable way among all the code pieces that makes use of asynchronous operations. When a program wants to do the wait asynchronous operation, the program request the operation start to some abstraction — in this case it’s the executor itself, but it’s more common to find these operations into “I/O objects” — through a function. The control is passed to the executor — through the method run — which will check for notification of finished tasks. When there are no more tasks on the queue, the executor will give back the control of the thread.

Because there is only one thread of execution, but several tasks to execute, we have the resource sharing problem. In this case, the resource to be shared is the CPU/thread itself. The control should go and come between some abstraction and the user code. This is the core of cooperative multitasking. There are customization points to affect behaviour among the algorithms that execute the tasks, making them give CPU time to the execution of other tasks.

One advantage of the cooperative multitasking style of multitasking is that all “switch” points are well defined. You know exactly when the control goes from one task to another. So that context switch overhead that we saw earlier don’t exist — where all register values need to be saved… A solution that is more elegant, efficient and green.

The object that we passed as the last argument to the function add_sleep_for_callback is a callback — also know as completion handler. Think about what would happen if a new wait operation was requested within one of the completion handlers that we registered. There is an improved version of the previous executor following:

This implementation detail reminds me of the SHLVL SHELL variable.

An interesting case is the case from the JavaScript language. JavaScript has a kind of “implicit executor”, which is triggered when the VM reaches the end of your code. In this case, you don’t need to write codes like “while (true) executor.run_one()” or “executor.run()“. You only would need to register the callbacks and make sure there are no infinite loops until the executor gets the chance to be in control.

With the motivation introduced, the text started to decrease the use of mentions to I/O for reasons of simplicity and focus, but keep in mind that we use asynchronous operation mostly to interact with the external world. Therefore many operation are scheduled conditionally in response to the notification of the completion of a previous task (e.g. if protocol invalid, close socket else schedule another read operation). Proposals like N3785 and N4046 define executors also to schedule thread pools, not only timeouts within a thread. Lastly it’s possible to implement executors that schedule I/O operations within the same thread.

Asynchronous algorithms represented in synchronous manners

The problem with the callback approach is that we no longer have a code that is clean and readable. Previously, the code could be read sequentially because this is what the code was, a sequence of instructions. However, now we need to spread the logic among lots of lots of callbacks. Now you have blocks of code that are related far apart from each other. Lambdas can help a little, but it’s not enough. The problem is know as callback/nesting hell and it’s similar to the spaghetti code problem. Not being bad enough, the execution flow became controverted because the asynchronous nature of the operations itself and constructs like branching and repetition control structures and even error handling assume a representation that are far from ideal, obscures and difficult to read.

One abstraction of procedures very important to asynchronous programming is coroutines. There is the procedure abstraction that we refer to under the name of “function”. This so called “function” models the concept of subroutine. And we have the coroutine, which is a generalization of a subroutine. The coroutine has two more operations than subroutine, suspend and resume.

When your “function” is a coroutine — possible when the language provides support to coroutines — it’s possible to suspend the function before it reaches the end of execution, possibly giving a value during the suspend event. One example where coroutines are useful is on a hypothetical fibonacci generating function and a program that uses this function to print the first 10 numbers of this infinite sequence. The following Python code demonstrate an implementation of such example, where you can get an insight of the elegance, readability and and reuse that the concept of coroutines allows when we have the problem of cooperative multitasking:

This code reminds me of the setjmp/longjmp functions.

One characteristic that we must give attention in case you aren’t familiarized with the concept is that the values of the local variables are preserved among the several “calls”. More accurately, when the function is resumed, it has the same execution stack that it had when it was suspended. This is a “full” implementation of the coroutine concept — sometimes mentioned as stackful coroutine. There are also stackless coroutines where only the “line under execution” is remembered/restored.

The N4286 proposal introduces a new keyword, await, to identify a suspension point for a coroutine. Making use of such functionality, we can construct the following example, which elegantly defines an asynchronous algorithm described in a very much “synchronous manner”. It also makes use of the several language constructs that we’re used to — branching, repetition and others:

Coroutines solve the complexity problem that asynchronous algorithms demand. However, there are several coroutines proposals and none of them was standardized yet. An interesting case is the Asio library that implemented a mechanism similar to Duff’s Device using macros to provide stackless coroutines. For C++, I hope that the committee continue to follow the “you only pay for what you use” principle and that we get implementations with high performance.

While you wait for the standardization, we can opt for library-level solutions. If the language is low-level and gives the programmer control enough, these solutions will exist — even if it’s going to be not portable. C++ has fibers and Rust has mioco.

Another option to use while you wait for coroutines it not to use them. It’s still possible to achieve high performance implementation without them. The big problem will be the highly convoluted control flow you might get.

Completion tokens

While there is no standardized approach for asynchronous operations in the C++ language, the Boost.Asio library, since the version 1.54, adopted an interesting concept. The Boost.Asio implemented an extensible solution. Such solution is well documented in the N4045 proposal and you’ll only find a summary here.

The proposal is assumes that the callback model is not always interesting and can be even confusing sometimes. So it should be evolved to support other models. Now, instead receiving a completion handler (the callback), the functions should receive a completion token, which adds the necessary customization point to support other asynchronous models.

The N4045 document uses a top-down approach, first showing how the proposal is used to then proceed to low-level implementation details. You can find a sample code from the document following:

In the code that you just saw, every time the variable yield is passed to some asynchronous operation (e.g. open and read), the function is suspended until the operation is completed. When the operation completes, the function is resumed in the point where it was suspended and the function that started the asynchronous operation returns the result of the operation. The Fiber library, shortly mentioned previously, provides a yield_context to the Asio extensible model, the boost::fibers::asio::yield. It’s asynchronous code written in a synchronous manner. However, an extensible model is adopted because we don’t know which model will be the standard for asynchronous operations and therefore we cannot force a single model to rule them all.

To build an extensible model, the return type of the function needs to be deduced (using the token) and the value of the return also needs to be deduced (also using the token). The return type is deduced using the token type and the returned value is created using the token passed as argument. And you still have the handler, which must be called when the operation completes. The handler is extracted from the token. The completion tokens model makes use of type traits to extract all information. If the traits aren’t specialized, the default behaviour is to treat the token as a handler, turning the approach compatible with the callback model.

Several examples are given in the N4045 document:

  • use_future
  • boost::fibers::asio::use_future
  • boost::fibers::asio::yield
  • block

The std::future approach have meaningful impact on performance and this is not cool, like explained in the N4045 document. This is the reason why I don’t mention it in this text.

Signals and slots

One alternative that was proposed to the model of callbacks is the signals and slots approach. This approach is implemented in libgsigc++, Boost, Qt and a few other libraries.

This proposal introduces the concept of a signal, which is used to notify an event, but abstracts the delivery of the notification and the process of registering functions that are interested in the event. The code that notifies events just need to worry about emitting the signal every time the event happens because the signal itself will take care of handling the set of registered slots and stuff.

This approach usually allows a very decoupled architecture, in opposition of the very verbose approach largely used in Java. An interesting effect, depending on the implementation, is the possibility to connect one signal to another signal. It’s also possible to have multiple signals connected to one slot or one signal connected to multiple slots.

The signal usually is related to one object, and when the object is destroyed, the connections are destroyed too. Just like it’s also possible to have slot objects that automatically disconnect from connected signals once destroyed, so you have a safer abstraction.

Given signals are independently implemented abstractions and usable as soon as they are exposed, it’s naturally intuitive to remove the callback argument from the operations that initiate asynchronous operations to avoid duplication of efforts. If you go further in this direction, you’ll even remove the own function to do asynchronous operations, exposing just the signal used to receive notifications, your framework you’ll be following the passive style instead active style. Examples of such style are the Qt’s socket, which doesn’t have an explicit function to request the start of the read operation, and the POCO library, which doesn’t have a function to request that receiving of a HTTP request.

Another detail which we have in signals and slots approach is the idea of access control. In the Qt case, signals are implemented in a way that demands the cooperation of one preprocessor, the own Qt executor and the QObject class. In the Qt case, the control access rules for emitting a signal follow the same rules for protected methods from C++ (i.e. all children classes can emit signals defined in parent classes). The operation of connecting a signal to another signal or a slot follows the same rules of public members of C++ (i.e. anyone can execute the operation).

In the case of libraries that implement the signal concept as a type, it’s common to observe a type that encapsulate both, the operation to emit the signal and the operation to connect the signal to some slot (different from what we see in the futures and promises proposal, where each one can have different control access).

The signals and slots approach is cool, but it doesn’t solve the problem of complexity that is solved with coroutines. I only mentioned this approach to discuss better the difference between the active style and the passive style.

Active model vs passive model

In the passive model, you don’t schedule the start of the operations. It’s what we commonly find in “productive” frameworks, but there are many questions that this style doesn’t answer quite well.

Making a quick comparison between the libraries Qt and Boost.Asio. In both libraries, you find classes to abstract the socket concept, but using Qt you handle the event readyRead using the readAll method to receive the buffer with the data. In contrast, using Boost.Asio, you start the operation async_read_some and pass the buffer as argument. Qt uses the passive style and Boost.Asio uses the active style.

The readyRead event, from Qt, acts independently from the user and requires a buffer allocation every time it occurs. Then some questions arise. “How can I customize the buffer allocation algorithm?”, “how can I customize the application to allow recycling buffers?”, “how do I use a buffer that is allocated on the stack?” and more. The passive model doesn’t answer questions like these, then you need to fatten the socket abstraction with more customization points to allow behaviours like the ones described. It’s a combinatorial explosion to every abstraction that deals with asynchronous operations. In the active model, these customizations are very natural. If there is any resource demanded by the operation that the developer is about to start, the developer just need to pass the resource as an argument. And it’s not only about resource acquisition. Another example of question that the passive model doesn’t answer well is “how do I decide whether I’m gonna accept a new connection or postpone to when the server is less busy?”. It’s a great power to applications that are seriously concerned about performance and need fine adjustments.

Besides performance and fine tuning, the passive model is also causes trouble to debugging and tests thanks to the inversion of control.

I must admit that the passive model is quite good to rapid prototyping and increasing productive. Fortunately, we can implement the passive model on top of the active model, but the opposite is not so easy to do.

Bonus references

If you like this subject and want to dig more, I suggest the following references:

Boost.Http rejected

Previously I informed that my library was about to be reviewed by the Boost community. And some time ago, this review happened and a result was published.

The outcome of the Boost review process was that my library should not be included in Boost. I think I reacted to the review very well and that I defended the library design with good arguments.

There was valuable feedback that I gained through the review process. Feedback that I can use to improve the library. And improvements to the library shouldn’t stop once the library is accepted into Boost, so I was expecting to spend more time in the library even after the review, as suggested by the presence of a roadmap chapter on the library documentation.

The biggest complaint about the library now was completeness. The library “hasn’t proven” that the API is right. The lack of higher-level building blocks was important to contribute to the lack of trust in current API. Also, if such library was to enter in Boost, it should be complete, so new users would have a satisfying first impression and continue to use the library after the initial contact. I was worried about delivering a megazord library to be reviewed in just one review, but that’s what will happen next time I submit the library to review. At least I introduced several concepts to the readers already.

Things that I planned were forgotten when I created the documentation and I’ll have to improve documentation once again to ensure guarantees that I had planned already. Also, some neat ideas were given to improve library design and further documentation updates will be required. Documentation was also lacking in the area of tutorial. Truth be told, I’m not very skilled in writing tutorials. Hopefully, the higher-level API will help me to introduce the library to newbies. Also, I can include several tutorials in the library to improve its status.

There was an idea about parser/generator (like 3-level instead 2-level indirection) idea that will require me to think even more about the design. Even now, I haven’t thought enough about this design yet. One thing for sure is that I’ll have to expose an HTTP parser because that’s the only thing that matters for some users.

A few other minor complaints were raised that can be addressed easily.

If you are willing to discuss more about the library, I have recently created a gitter channel where discussions can happen.

And for now, I need to re-read all messages given for the review and register associated issues in the project’s issue tracker. I’d like to have something ready by January, but it’ll probably take 6 months to 1 year before I submit the library again. Also, the HTTP client library is something that will possibly delay the library a lot, as I’ll research power users like Firefox and Chromium to make sure that the library is feature-ready for everybody.

So much work that maybe I’ll submit the library as a project on GSoC again next year to gather some more funding.

Also, I’d like to use this space to spread two efforts that I intend to make once the library is accepted into Boost:

  • A Rust “port” of the library. Actually, it won’t be an 1:1 port, as I intend to use Rust’s unique expressiveness to develop a library that feels like a library that was born with Rust in mind.
  • An enhanced, non-slow and not resource-hungry implementation (maybe Rust, maybe C++) of the trsst project.

EDIT (2016/03/20):

And for now, I need to re-read all messages given for the review and register associated issues in the project’s issue tracker.

That part is done: https://github.com/boostgsoc14/boost.http/issues?utf8=%E2%9C%93&q=is%3Aissue+label%3Aboost-review+

I’d like to have something ready by January, but it’ll probably take 6 months to 1 year before I submit the library again.

I think I was being too optimistic when I commented “6 months”. It’d only be possible to complete it within 6 months if Boost.Http was the only project I was developing. Of course I have a job and university and the splitted focus wouldn’t allow me to finish the library in just this small amount of time.

Monads

Faz algum tempo desde a última vez que escrevo sobre algum padrão de projeto. O último texto que lembro foi o texto sobre CRTP, e nesse tempo meu conhecimento sobre programação aumentou, minhas habilidades comunicativas aumentaram e eu passei a escrever textos melhores. O texto que fiz sobre CRTP, nem acho importante. Entretanto, decidi fazer um texto para explicar monads, pois existe toda essa tradição de que, ao compreender o que é monad, você atinge uma epifania satisfatoriamente envolvente, você sente um desejo incontrolável de tentar compartilhar esse conhecimento com toda a humanidade, e você FALHA, mas, até pior que isso, seu manual é diferente e as pessoas vão perder até mais tempo tentando aprender o que é monad, pois agora há até mais textos confusos que acumulamos.

Eu, é claro, demorei muito tempo para aprender monads, apesar de estar usando monads há bastante tempo. Quando finalmente aprendi o que é monad, percebi o quão simples é esse conceito. Devo essa compreensão ao Douglas Crockford.

Introdução

All told, a monad in X is just a monoid in the category of endofunctors of X, with product × replaced by composition of endofunctors and unit set by the identity endofunctor.

Entendeu? Eu também não, e esse tipo de explicação era uma das razões para eu ter demorado a aprender.

Uma coisa importante para prosseguir com a explicação, é deixar claro os termos utilizados. E o primeiro termo que pretendo deixar claro é o de valor. Em programação funcional pura, não é tão raro assim evitar o uso do termo variável e usar, no lugar, o termo associar (binding em inglês), para indicar que um nome está se referindo a algum valor. Quando você se refere a variável, talvez implicitamente você assuma que você pode mudar o valor dessa variável, mas nem sempre é essa a mensagem que queremos comunicar. Há também o termo objeto, do paradigma de programação orientada a objetos, que podemos usar no lugar do termo variável, mas o termo objeto também carrega  outras informações que podem não ser necessárias para a explicação que estamos tentando passar. Por essas razões, eu vou, durante o texto, tentar usar o termo valor, mas se você substituir esse termo por objeto ou variável, ainda é provável que o texto continue fazendo sentido.

Há também o termo função, que em programação pode acabar tendo um significado diferente. Em programação, há o termo subrotina, que não equivale ao termo de função na matemática. Entretanto, algumas linguagens de programação usam o termo função para se referir ao conceito de subrotina, criando uma situação de falso cognato. Para “diminuir” a confusão, passamos a chamar de funções puras, as funções que possuíam o mesmo significado que as funções possuem em matemática. Essa curiosidade não é tão importante para o entendimento de monads, mas é bom que você comece a consumir algumas informações relacionadas para estar estimulado o suficiente quando a explicação de monads aparecer.

Ainda no tópico de funções, temos a diferença de funções membros e funções não-membros. Funções membros são funções que recebem o this/self, que fazem parte de alguma classe e não são métodos estáticos, funções que chamamos de métodos na programação orientada a objetos. Funções não-membros são funções livres, que não fazem parte de nenhuma classe. Quando eu me referir a uma função que recebe a e b como argumentos, as duas situações exemplificadas no seguinte código são interpretações válidas:

Nos dois casos, temos uma função foo que recebe a e b como argumentos. Há até esforços para tornar a sintaxe de chamada de funções em C++ mais uniforme. A linguagem Rust está ligeiramente à frente nessa corrida, enquanto outras linguagens já chegaram lá.

Você pode enxergar monad como um padrão de projeto, e, dentro desse padrão de projeto, há o “objeto” que de fato representa o monad. Assim como ocorre no padrão Singleton, onde o mesmo termo, Singleton, se refere (1) ao padrão de projetos e a (1) um objeto que respeita algumas características. Estou citando o padrão Singleton, porque esse é, pela minha experiência, o padrão mais famoso e mais fácil de entender. A parte importante para manter em mente é que monad é um valor, mas, em alguns momentos, pode ser que eu me refira a monad como um padrão de projeto.

Valores embrulhados

Em alguns cantos na terra da programação, podemos encontrar valores que são embrulhados. Por exemplo, temos a classe Integer, na linguagem Java, que embrulha um valor primitivo int. Temos também, em C++, a classe auto_ptr<T>, que embrulha um valor do tipo T. Instâncias dessas classes não são monads.

Valores embrulhados por outro valor são isolados, tornando-se acessíveis somente a partir de uma interface. Eles não podem ser acessados diretamente, pois estão embrulhados em outro valor, seja lá qual for o propósito. No caso da classe Integer, você precisa usar a função intValue para acessar o valor embrulhado. No caso da classe auto_ptr<T>, você precisa usar a função que sobrecarrega o operador de desreferenciamento da classe.

Monads também embrulham valores. Monads são valores que embrulham outros valores e apresentam três propriedades. Entretanto, eu só vou informá-las ao final do texto.

Função unit e função bind

Unit é uma função que recebe como argumento o valor a ser embrulhado e retorna o monad. É também conhecido como construtor em outros locais. Seria o “construtor” do monad.

Bind é uma função que recebe dois argumentos, um monad e uma função que tenha a “mesma assinatura” de unit, e retorna um novo monad. Usei a expressão “mesma assinatura” entre aspas, pois, na verdade, a situação não precisa ser tão estrita assim. O tipo de retorno pode ser um monad diferente, mas o argumento de entrada precisa ser do mesmo tipo ou compatível.

Em um monad, deve existir uma forma de acessar o valor embrulhado através da função bind, mesmo que essa não seja a única forma de acessar o valor, e mesmo que a função receba outro nome que não seja bind. Daí que encontramos algumas discussões usando termos como “monadic operations“.

A ideia por trás dessa estrutura é a componibilidade. Talvez não seja tão incrível para eu ou você, pois estamos acostumados a ter outras ferramentas disponíveis, mas parece ser um conceito incrível para os programadores da comunidade de programação funcional pura.

Em Haskell, monads costumam ser usados para isolar comportamentos que não são livres de efeitos colaterais, como I/O. Rust, uma linguagem que possui “;”, não precisa de monads, mas o núcleo de seu sistema da tratamentos de erros é feito em cima das ideias de monads.

Alguns monads

Maybe

Maybe é um monad, em alguns locais recebendo o nome de Option ou optional, e às vezes nem sequer obedecendo as propriedades de um monad. O propósito de Maybe é simples: possivelmente armazenar um valor. Você pode encarar esse monad como uma abstração que lhe permite expressar a semântica de valores opcionais, que em C são representados através de ponteiros que possivelmente possuem o valor NULL, ou em Java, onde qualquer objeto pode ser null.

O legal desse monad é que você ganha segurança, pois verificar pela existência do valor para então acessá-lo não acontece. É mais seguro, porque, no modelo antigo, era possível você tentar acessar o valor esquecendo de verificar antes se ele existia, esquecer do if. Com o padrão de monad/Maybe, você só usa a função bind que já recebe o valor “extraído” e ela só é chamada se o valor for diferente de None.

A verdade é que esse monad fica bem mais legal se houver suporte a nível de linguagem para exhaustive pattern matching, como ocorre em Rust. Em Rust, a abstração que equivale a esse monad é a abstração Option.

Na verdade, o exemplo de código anterior usa um bind “não-conformante”, pois a função/closure passada como argumento não retorna outro monad, mas escrevi mesmo assim para ser breve. Pattern matching costuma ser mais interessante para acessar o valor e você abstrai outros comportamentos que são mais interessantes para serem encapsulados como “operações monádicas” (a documentação da abstração Option em Rust é um ótimo exemplo).

Result

Se Maybe é a abstração para valor-ou-nada, Result é a abstração para valor-ou-erro. Suponha uma função que converta uma string para um inteiro de 32 bits. Erros podem acontecer e pode ser que você queira usar o Maybe<int> como retorno da função, mas talvez seja interessante diferenciar o porquê da função ter falhado, se foi devido a uma string inválida ou overflow, por exemplo.

Result como monad é bem interessante, porque lhe permite encadear uma cadeia de ações e, caso alguma delas retorne erro, a cadeia para, e o erro é armazenado, sem que você precise explicitamente verificar por sua existência. Na linguagem Rust, até existe uma macro, try!, que torna o código até mais legível a agradável.

É interessante ter operações monádicas em Result que só atuam em um dos valores (o esperado ou o valor de erro), então você teria Result<T, E>::map e Result<T, E>::map_err.

Future

Futures e promises se referem a um padrão na computação para abordar o problema de concorrência e dependência de dados. Nesse padrão, o future é um valor que embrulha o resultado, que é computado assincronamente. Alguma função como get pode ser usada para obter o resultado e, caso não esteja pronto, a thread atual é bloqueada até que ele esteja disponível.

A adição de operações monádicas permite definir uma API que anexe continuações que seriam executadas quando o resultado estiver pronto, livrando-lhe do problema de bloquear a thread atual (que essencialmente mata o paralelismo). C++ é uma linguagem que atualmente possui abstrações de futures e promises, mas não possui as operações monádicas que tornariam essa abstração muito mais agradável de ser utilizada, como é explicado em um bom texto do Bartosz Milewski.

Programadores de NodeJS querem usar futures para se livrar de códigos profundamente aninhados (também conhecido como nesting hell). Futures são monads que podem livrar o programador da verificação explícita de erros para cada operação. Se bind for uma função-membro, o aninhamento infernal é, de fato, eliminado. O benefício é um ganho na legibilidade que pode ter grandes consequências como produtividade aumentada e diminuição de erros.

As três propriedades de um monad

A terceira propriedade existe para garantir ordem. E isso é importante para composibilidade.

Conclusão

Utilidade. A utilidade de você entender monads é que agora, quando os programadores de Haskell invadirem sua comunidade de programação, você vai entender o que eles querem dizer por monad. A utilidade se resume a comunicação, mas eu não recomendo que você use o termo monad para documentar abstrações que você crie que modelem o conceito de monad, pois é inútil. Dizer que uma abstração modela o conceito de monad não vai me fazer querer usar tal abstração. Demonstrar a utilidade da abstração vai me fazer querer usá-la e omitir o termo monad não vai tornar a demonstração mais longa ou menos clara. Só use o termo monad para questão de comunicação, quando você estiver tentando se comunicar com programadores de Haskell.

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