¿Es posible la programación funcional de la GUI? [cerrado]

Recientemente detecté el error FP (tratando de aprender Haskell), y me impresionó mucho lo que he visto hasta ahora (funciones de primera clase, evaluación perezosa y todas las demás ventajas). Todavía no soy un experto, pero ya he comenzado a encontrar que es más fácil razonar "funcionalmente" que imperativamente para algoritmos básicos (y estoy teniendo problemas para volver a donde tengo que hacerlo).

Sin embargo, la única área donde el FP actual parece fallar es la programación de la GUI. El enfoque de Haskell parece ser simplemente envolver los kits de herramientas de GUI imperativos (como GTK + o wxWidgets) y usar bloques "do" para simular un estilo imperativo. No he usado F #, pero entiendo que hace algo similar usando OOP con clases .NET. Obviamente, hay una buena razón para esto: la programación actual de la GUI se trata de E / S y efectos secundarios, por lo que la programación puramente funcional no es posible con la mayoría de los marcos actuales.

Mi pregunta es, ¿es posible tener un enfoque funcional para la programación GUI? Tengo problemas para imaginar cómo se vería esto en la práctica. ¿Alguien sabe de algún marco, experimental o de otro tipo, que intente este tipo de cosas (o incluso cualquier marco diseñado desde cero para un lenguaje funcional)? ¿O es la solución simplemente usar un enfoque híbrido, con OOP para las partes de la GUI y FP para la lógica? (Solo pregunto por curiosidad: me encantaría pensar que FP es "el futuro", pero la programación de la GUI parece un gran agujero para llenar).

El enfoque de Haskell parece ser simplemente envolver los kits de herramientas de GUI imperativos (como GTK + o wxWidgets) y usar bloques "do" para simular un estilo imperativo

Ese no es realmente el "enfoque de Haskell", así es como se vincula a los kits de herramientas de GUI imperativos más directamente, a través de una interfaz imperativa. Haskell simplemente tiene enlaces bastante prominentes.

Existen varios enfoques moderadamente maduros, o más experimentales, puramente funcionales / declarativos para las GUI, principalmente en Haskell, y principalmente utilizando programación funcional reactiva.

Algunos ejemplos son:

• plataforma reflex, https://github.com/reflex-frp/reflex-platform
• toronja, http://hackage.haskell.org/package/grapefruit-ui-gtk
• reactivo, http://hackage.haskell.org/package/reactive-glut
• wxFruit, http://hackage.haskell.org/package/wxFruit
• banana reactiva, http://hackage.haskell.org/package/reactive-banana

Para aquellos de ustedes que no están familiarizados con Haskell, Flapjax, http://www.flapjax-lang.org/ es una implementación de programación funcional reactiva sobre JavaScript.

Mi pregunta es, ¿es posible tener un enfoque funcional para la programación GUI?

Las palabras clave que está buscando son "programación reactiva funcional" (FRP).

Conal Elliott y algunos otros han hecho un poco de industria artesanal al tratar de encontrar la abstracción correcta para FRP. Hay varias implementaciones de conceptos FRP en Haskell.

Puede considerar comenzar con el documento más reciente de "Programación funcional y reactiva funcional Push-Pull" de Conal , pero hay varias otras implementaciones (más antiguas), algunas vinculadas desde el sitio haskell.org . Conal tiene una habilidad especial para cubrir todo el dominio, y su artículo se puede leer sin referencia a lo que vino antes.

Para tener una idea de cómo se puede usar este enfoque para el desarrollo de la GUI, es posible que desee ver Fudgets , que aunque se está haciendo un poco largo en estos días, diseñado a mediados de los 90, presenta un enfoque FRP sólido al diseño GUI.

Windows Presentation Foundation es una prueba de que el enfoque funcional funciona muy bien para la programación GUI. Tiene muchos aspectos funcionales y el código WPF "bueno" (búsqueda del patrón MVVM) enfatiza el enfoque funcional sobre el imperativo. Valientemente puedo afirmar que WPF es el kit de herramientas GUI funcional más exitoso del mundo real :-)

WPF describe la interfaz de usuario en XAML (aunque también puede reescribirla para que parezca funcionalmente C # o F #), por lo que para crear alguna interfaz de usuario, escriba:

<!-- Declarative user interface in WPF and XAML --> 
<Canvas Background="Black">
   <Ellipse x:Name="greenEllipse" Width="75" Height="75" 
      Canvas.Left="0" Canvas.Top="0" Fill="LightGreen" />
</Canvas>

Además, WPF también le permite describir de manera declarativa animaciones y reacciones a eventos usando otro conjunto de etiquetas declarativas (nuevamente, lo mismo puede escribirse como código C # / F #):

<DoubleAnimation
   Storyboard.TargetName="greenEllipse" 
   Storyboard.TargetProperty="(Canvas.Left)"
   From="0.0" To="100.0" Duration="0:0:5" />

De hecho, creo que WPF tiene muchas cosas en común con el FRP de Haskell (aunque creo que los diseñadores de WPF no sabían sobre FRP y es un poco desafortunado; a veces, WPF se siente un poco extraño y poco claro si está utilizando el funcional punto de vista).

De hecho, diría que la programación funcional (F #) es una herramienta mucho mejor para la programación de la interfaz de usuario que, por ejemplo, C #. Solo necesita pensar en el problema un poco diferente.

Discuto este tema en mi libro de programación funcional en el Capítulo 16, pero hay un extracto gratuito disponible , que muestra (en mi humilde opinión) el patrón más interesante que puede usar en F #. Supongamos que desea implementar el dibujo de rectángulos (el usuario presiona el botón, mueve el mouse y suelta el botón). En F #, puedes escribir algo como esto:

let rec drawingLoop(clr, from) = async { 
   // Wait for the first MouseMove occurrence 
   let! move = Async.AwaitObservable(form.MouseMove) 
   if (move.Button &&& MouseButtons.Left) = MouseButtons.Left then 
      // Refresh the window & continue looping 
      drawRectangle(clr, from, (move.X, move.Y)) 
      return! drawingLoop(clr, from) 
   else
      // Return the end position of rectangle 
      return (move.X, move.Y) } 

let waitingLoop() = async { 
   while true do
      // Wait until the user starts drawing next rectangle
      let! down = Async.AwaitObservable(form.MouseDown) 
      let downPos = (down.X, down.Y) 
      if (down.Button &&& MouseButtons.Left) = MouseButtons.Left then 
         // Wait for the end point of the rectangle
         let! upPos = drawingLoop(Color.IndianRed, downPos) 
         do printfn "Drawn rectangle (%A, %A)" downPos upPos }

Este es un enfoque muy imperativo (en el estilo F # pragmático habitual), pero evita el uso de estado mutable para almacenar el estado actual del dibujo y para almacenar la ubicación inicial. Sin embargo, puede hacerse aún más funcional, escribí una biblioteca que lo hace como parte de mi tesis de maestría, que debería estar disponible en mi blog en los próximos días.

La programación reactiva funcional es un enfoque más funcional, pero me resulta un poco más difícil de usar ya que se basa en características de Haskell bastante avanzadas (como las flechas). Sin embargo, es muy elegante en una gran cantidad de casos. Su limitación es que no puede codificar fácilmente una máquina de estados (que es un modelo mental útil para programas reactivos). Esto es muy fácil usando la técnica F # anterior.

Ya sea que esté en un lenguaje híbrido funcional / OO como F # u OCaml, o en un lenguaje puramente funcional como Haskell, donde los efectos secundarios se relegan a la mónada IO, en su mayoría se requiere una tonelada de trabajo para administrar una GUI es mucho más como un "efecto secundario" que como un algoritmo puramente funcional.

Dicho esto, ha habido una investigación realmente sólida puesta en GUI funcionales . Incluso hay algunos (en su mayoría) kits de herramientas funcionales como Fudgets o FranTk .

Puede consultar la serie de Don Syme en F #, donde la demostración está creando una interfaz gráfica de usuario. el siguiente enlace es a la tercera parte de la serie (puede vincular desde allí a las otras dos partes).

Usar F # para el desarrollo de WPF sería un paradigma GUI muy interesante ...

http://channel9.msdn.com/shows/Going+Deep/C9-Lectures-Dr-Don-Syme-Introduction-to-F-3-of-3/

Una de las ideas que abre la mente detrás de la Programación Reactiva Funcional es tener una función de manejo de eventos que produzca AMBAS reacciones a los eventos Y la próxima función de manejo de eventos. Así, un sistema en evolución se representa como una secuencia de funciones de manejo de eventos.

Para mí, aprender sobre Yampa se convirtió en un punto crucial para lograr que las funciones de producción de funciones funcionen correctamente. Hay algunos buenos documentos sobre Yampa. Recomiendo The Yampa Arcade:

http://www.cs.nott.ac.uk/~nhn/Talks/HW2003-YampaArcade.pdf (diapositivas, PDF) http://www.cs.nott.ac.uk/~nhn/Publications/hw2003. pdf (artículo completo, PDF)

Hay una página wiki en Yampa en Haskell.org

http://www.haskell.org/haskellwiki/Yampa

Página de inicio original de Yampa:

http://www.haskell.org/yampa (lamentablemente está roto en este momento)

Desde que se hizo esta pregunta por primera vez, Elm ha hecho que la programación reactiva funcional sea un poco más convencional.

Sugiero consultarlo en http://elm-lang.org , que también tiene algunos tutoriales interactivos realmente excelentes sobre cómo hacer una GUI completamente funcional en el navegador.

Le permite crear interfaces gráficas de usuario (GUI) completamente funcionales en las que el código que necesita proporcionarse solo consta de funciones puras. Personalmente, me pareció mucho más fácil entrar que los diversos marcos de Haskell GUI.

La charla de Elliot sobre FRP se puede encontrar aquí .

Además, no es realmente una respuesta, sino un comentario y algunas reflexiones : de alguna manera, el término "GUI funcional" se parece un poco a un oxímoron (pureza e IO en el mismo término).

Pero mi vago entendimiento es que la programación funcional de la GUI se trata de definir declarativamente una función dependiente del tiempo que toma la entrada del usuario (real) dependiente del tiempo y produce una salida GUI dependiente del tiempo.

En otras palabras, esta función se define como una ecuación diferencial de forma declarativa, en lugar de mediante un algoritmo que usa imperativamente un estado mutable.

Entonces, en FP convencional, uno usa funciones independientes del tiempo, mientras que en FRP uno usa funciones dependientes del tiempo como bloques de construcción para describir un programa.

Pensemos en simular una pelota en un resorte con el que el usuario puede interactuar. La posición de la pelota es la salida gráfica (en la pantalla), el usuario que empuja la pelota es presionar una tecla (entrada).

La descripción de este programa de simulación en FRP (según mi entendimiento) se realiza mediante una sola ecuación diferencial (declarativamente): aceleración * masa = - estiramiento del resorte * constante del resorte + Fuerza ejercida por el usuario.

Aquí hay un video sobre ELM que ilustra este punto de vista.

A partir de 2016, hay varios marcos FRP más maduros para Haskell, como Sodium y Reflex (pero también Netwire).

El libro de Manning sobre Programación Reactiva Funcional muestra la versión Java de Sodium, para ejemplos de trabajo, e ilustra cómo se comporta y escala una base de código FRP GUI en comparación con los enfoques imperativos y basados ​​en actores.

También hay un documento reciente sobre Arrowized FRP y la posibilidad de incorporar efectos secundarios, IO y mutación en un entorno de FRP puro y respetuoso de la ley: http://haskell.cs.yale.edu/wp-content/uploads/2015/10/ dwc-yale-formatted-dissertation.pdf .

También vale la pena señalar que los marcos de JavaScript como ReactJS y Angular y muchos otros ya están utilizando un FRP o un enfoque funcional para lograr componentes de GUI escalables y componibles.

Los lenguajes de marcado como XUL le permiten crear una GUI de forma declarativa.

Para abordar esto publiqué algunas ideas mías al usar F #,

http://fadsworld.wordpress.com/2011/04/13/f-in-the-enterprise-i/ http://fadsworld.wordpress.com/2011/04/17/fin-the-enterprise-ii- 2 /

También estoy planeando hacer un video tutorial para terminar la serie y mostrar cómo F # puede contribuir en la programación UX.

Solo estoy hablando en el contexto de F # aquí.

-Fahad

Todas estas otras respuestas se basan en la programación funcional, pero toman muchas de sus propias decisiones de diseño. Una biblioteca que se construye básicamente a partir de funciones y tipos de datos abstractos simples es gloss. Aquí está el tipo para su playfunción desde la fuente

-- | Play a game in a window. Like `simulate`, but you manage your own input events.
play    :: Display              -- ^ Display mode.
        -> Color                -- ^ Background color.
        -> Int                  -- ^ Number of simulation steps to take for each second of real time.
        -> world                -- ^ The initial world.
        -> (world -> Picture)   -- ^ A function to convert the world a picture.
        -> (Event -> world -> world)    
                -- ^ A function to handle input events.
        -> (Float -> world -> world)
                -- ^ A function to step the world one iteration.
                --   It is passed the period of time (in seconds) needing to be advanced.
        -> IO ()

Como puede ver, funciona completamente al proporcionar funciones puras con tipos abstractos simples, con los que otras bibliotecas lo ayudan.

La innovación más evidente notada por las personas nuevas en Haskell es que existe una separación entre el mundo impuro que se ocupa de comunicarse con el mundo exterior y el mundo puro de la computación y los algoritmos. Una pregunta frecuente para principiantes es "¿Cómo puedo deshacerme IO, es decir, convertirme IO aen a?" La forma de hacerlo es usar mónadas (u otras abstracciones) para escribir código que realice IO y efectos de cadenas. Este código recopila datos del mundo exterior, crea un modelo de él, realiza algunos cálculos, posiblemente empleando código puro, y genera el resultado.

En lo que respecta al modelo anterior, no veo nada terriblemente malo en manipular las GUI en la IOmónada. El mayor problema que surge de este estilo es que los módulos ya no son componibles, es decir, pierdo la mayor parte de mi conocimiento sobre el orden de ejecución global de las declaraciones en mi programa. Para recuperarlo, tengo que aplicar un razonamiento similar al del código GUI concurrente e imperativo. Mientras tanto, para el código impuro, no GUI, el orden de ejecución es obvio debido a la definición del operador de la IOmónada >==(al menos siempre que haya un solo hilo). Para el código puro, no importa en absoluto, excepto en casos de esquina para aumentar el rendimiento o evitar evaluaciones que resulten ⊥.

La mayor diferencia filosófica entre la consola y el IO gráfico es que los programas que implementan los primeros generalmente se escriben en estilo sincrónico. Esto es posible porque hay (dejando de lado las señales y otros descriptores de archivos abiertos) solo una fuente de eventos: el flujo de bytes comúnmente llamado stdin. Sin embargo, las GUI son inherentemente asíncronas y tienen que reaccionar a los eventos del teclado y los clics del mouse.

Una filosofía popular de hacer IO asíncrona de manera funcional se llama Programación Reactiva Funcional (FRP). Recientemente obtuvo mucha tracción en lenguajes impuros y no funcionales gracias a bibliotecas como ReactiveX y frameworks como Elm. En pocas palabras, es como ver elementos de la GUI y otras cosas (como archivos, relojes, alarmas, teclado, mouse) como orígenes de eventos, llamados "observables", que emiten flujos de eventos. Estos eventos se combinan mediante operadores familiares, tales como map, foldl, zip, filter, concat, join, etc, para producir nuevas fuentes. Esto es útil porque el estado del programa en sí mismo puede verse como parte scanl . map reactToEvents $ zipN <eventStreams>del programa, donde Nes igual al número de observables que el programa haya considerado.

Trabajar con observables de FRP hace posible recuperar la componibilidad porque los eventos en una secuencia se ordenan a tiempo. La razón es que la abstracción del flujo de eventos hace posible ver todos los observables como cuadros negros. En última instancia, la combinación de flujos de eventos utilizando operadores devuelve algunos pedidos locales en la ejecución. Esto me obliga a ser mucho más honesto acerca de los invariantes en los que realmente confía mi programa, de manera similar a la forma en que todas las funciones en Haskell tienen que ser referencialmente transparentes: si quiero obtener datos de otra parte de mi programa, tengo que ser explícito anuncio declara un tipo apropiado para mis funciones. (La mónada IO, al ser un lenguaje específico de dominio para escribir código impuro, efectivamente lo evita)

La programación funcional puede haber pasado de cuando estaba en la universidad, pero como recuerdo, el punto principal de un sistema de programación funcional era evitar que el programador creara un "efecto secundario". Sin embargo, los usuarios compran software debido a los efectos secundarios que se crean, por ejemplo, actualizar una IU.