JS `Effect Systems` (提案) 与 `Algebraic Effects` 在 JS 中的潜在应用

各位朋友，晚上好！我是你们的老朋友，今天咱们聊聊 JavaScript 里两个挺有意思的概念：Effect Systems (提案) 和 Algebraic Effects。别被这些高大上的名字吓到，其实它们想解决的问题都很实在，而且在某些方面还有点殊途同归的味道。

咱们先来热热身，想想在 JavaScript 里，哪些操作会让代码变得复杂，难以维护和测试？ 没错，就是那些副作用！

• 副作用大乱斗: 想象一下，你的函数悄悄地修改了全局变量，或者偷偷地发起了网络请求，或者冷不丁地往控制台输出了点东西。这些行为就像代码里的“暗器”，防不胜防。

Effect Systems 和 Algebraic Effects，就是来规范这些“暗器”的，让它们变得可控、可预测，甚至可以替换。

1. Effect Systems：给函数加上“副作用标签”

Effect Systems 的核心思想很简单：给函数打上标签，明确声明它会产生哪些副作用。这个标签就像一个“副作用清单”，告诉我们这个函数可能会做什么“坏事”。

1.1 为什么需要 Effect Systems？

• 提高代码可读性： 一眼就能看出函数会产生哪些副作用，不用费劲地去阅读代码才能发现。
• 方便静态分析： 编译器或静态分析工具可以根据这些标签，检查代码是否符合预期，避免潜在的错误。
• 更好的代码组织： 强制开发者思考函数的副作用，促使他们写出更纯粹、更可测试的代码。

1.2 Effect Systems 的基本原理

Effect Systems 通常会定义一组 Effect 类型，例如：

Effect 类型	描述
ReadGlobal	读取全局变量
WriteGlobal	写入全局变量
NetworkRequest	发起网络请求
ConsoleLog	向控制台输出
DOMMutation	修改 DOM 结构

然后，使用某种语法（例如 TypeScript 的类型注解），将这些 Effect 类型添加到函数签名中。

例子（伪代码）：

// 声明一个会读取全局变量 `counter` 的函数
function getCounter(): ReadGlobal & number {
  return counter;
}

// 声明一个会写入全局变量 `counter` 的函数
function setCounter(value: number): WriteGlobal & void {
  counter = value;
}

// 声明一个会发起网络请求的函数
function fetchData(url: string): NetworkRequest & Promise<any> {
  return fetch(url).then(response => response.json());
}

// 声明一个会向控制台输出的函数
function logMessage(message: string): ConsoleLog & void {
  console.log(message);
}

在这个例子中，ReadGlobal & number 表示 getCounter 函数会产生 ReadGlobal 类型的副作用，并且返回一个 number 类型的值。

1.3 Effect Systems 的挑战

• 语法复杂性： 如何用简洁、易懂的语法来表达 Effect 类型，是一个挑战。
• 类型推断： 如何让编译器自动推断函数的 Effect 类型，减少手动注解的工作量，也是一个难题。
• 与现有代码的兼容性： 如何将 Effect Systems 集成到现有的 JavaScript 代码中，需要仔细考虑。

虽然 Effect Systems 在 JavaScript 中还处于提案阶段，但它提供了一种思路：通过类型系统来约束副作用，提高代码的可维护性和可测试性。

2. Algebraic Effects：让副作用“脱离”函数

Algebraic Effects 的核心思想是：将副作用从函数中“剥离”出来，让函数只负责计算，而将副作用的处理交给外部的“处理器”。

2.1 为什么需要 Algebraic Effects？

• 更好的可测试性： 可以方便地替换副作用的实现，例如在测试环境中，可以用 mock 对象来模拟网络请求或文件读写。
• 更高的灵活性： 可以根据不同的场景，选择不同的副作用处理器，例如在客户端和服务端，可以使用不同的网络请求库。
• 更清晰的代码结构： 将计算逻辑和副作用处理逻辑分离，使代码更易于理解和维护。

2.2 Algebraic Effects 的基本原理

Algebraic Effects 基于两个关键概念：

• Effectful Operations (带副作用的操作)： 定义一组带副作用的操作，例如 readFile、writeFile、makeHttpRequest 等。这些操作只是声明了副作用的意图，并没有实际执行副作用。
• Handlers (处理器)： 负责处理这些 Effectful Operations，将它们转化为实际的副作用操作。

例子（伪代码）：

// 定义一个 Effectful Operation：readFile
const readFile = (path) => ({
  type: 'readFile',
  path
});

// 定义一个使用 readFile 的函数
function processFile(path) {
  const content = readFile(path); // 注意：这里并没有实际读取文件
  return content.toUpperCase();
}

// 定义一个 Handler：FileSystemHandler
const FileSystemHandler = {
  readFile: (path, resume) => {
    // 实际读取文件
    fs.readFile(path, 'utf8', (err, data) => {
      if (err) {
        // 处理错误
        console.error('Error reading file:', err);
      } else {
        // 将文件内容传递给 resume 函数，继续执行
        resume(data);
      }
    });
  }
};

// 定义一个 run 函数，用于执行带副作用的函数
function run(fn, handler) {
  let result = fn();

  while (typeof result === 'object' && result !== null && result.type) {
    const effect = result;
    const operation = handler[effect.type];

    if (!operation) {
      throw new Error(`No handler for effect: ${effect.type}`);
    }

    // 创建一个 resume 函数，用于在副作用处理完成后，继续执行
    const resume = (value) => {
      result = fn(value); // 传递 value 给 fn，继续执行
    };

    operation(effect.path, resume); // 调用 Handler 处理副作用
  }

  return result;
}

// 使用 FileSystemHandler 运行 processFile 函数
const result = run(() => processFile('my-file.txt'), FileSystemHandler);
console.log('Result:', result);

在这个例子中，readFile 只是一个简单的对象，描述了读取文件的意图。FileSystemHandler 负责实际读取文件，并将文件内容传递给 resume 函数，继续执行 processFile 函数。

2.3 Algebraic Effects 的优势

• 清晰的分层： 将计算逻辑和副作用处理逻辑分离，使代码结构更清晰。
• 高度的可定制性： 可以根据不同的场景，选择不同的 Handler，实现不同的副作用处理方式。
• 强大的表达能力： 可以处理各种复杂的副作用，例如异常处理、状态管理、并发控制等。

2.4 Algebraic Effects 的挑战

• 学习曲线： 理解 Algebraic Effects 的概念和用法，需要一定的学习成本。
• 运行时开销： Algebraic Effects 通常需要在运行时进行 Handler 查找和调用，可能会带来一定的性能开销。
• 与现有代码的集成： 如何将 Algebraic Effects 集成到现有的 JavaScript 代码中，需要仔细考虑。

3. Effect Systems vs. Algebraic Effects：异曲同工，各有所长

Effect Systems 和 Algebraic Effects 都是为了更好地管理 JavaScript 中的副作用，但它们采用了不同的方法。

特性	Effect Systems	Algebraic Effects
核心思想	给函数打上“副作用标签”，明确声明函数会产生哪些副作用。	将副作用从函数中“剥离”出来，让函数只负责计算，而将副作用的处理交给外部的“处理器”。
主要机制	类型系统（例如 TypeScript 的类型注解）	Effectful Operations 和 Handlers
优势	提高代码可读性，方便静态分析，更好地组织代码。	更好的可测试性，更高的灵活性，更清晰的代码结构。
劣势	语法复杂性，类型推断困难，与现有代码的兼容性问题。	学习曲线陡峭，运行时开销，与现有代码的集成问题。
适用场景	适用于对代码质量要求较高，需要进行静态分析的项目。	适用于需要高度可测试性、灵活性，以及需要处理复杂副作用的项目。
在 JavaScript 中的现状	提案阶段，尚未广泛应用。	已经有一些库实现了 Algebraic Effects，例如 @ Effection。

总的来说，Effect Systems 和 Algebraic Effects 都是有价值的工具，可以帮助我们更好地管理 JavaScript 中的副作用。选择哪种方法，取决于具体的项目需求和团队的技术栈。

4. Algebraic Effects 在 JavaScript 中的潜在应用场景

Algebraic Effects 在 JavaScript 中有很多潜在的应用场景，例如：

• 状态管理： 可以用 Algebraic Effects 来实现状态管理库，例如 Redux 或 Vuex。
• 异常处理： 可以用 Algebraic Effects 来处理异常，避免 try-catch 语句的滥用。
• 异步编程： 可以用 Algebraic Effects 来简化异步编程，例如处理 Promise 或 async/await。
• UI 开发： 可以用 Algebraic Effects 来处理 UI 组件的副作用，例如 DOM 操作或事件监听。

例子：使用 Algebraic Effects 实现简单的状态管理

// 定义 Effectful Operation：getState
const getState = () => ({
  type: 'getState'
});

// 定义 Effectful Operation：setState
const setState = (newState) => ({
  type: 'setState',
  newState
});

// 定义一个使用状态的函数
function incrementCounter() {
  const state = getState();
  const newCounter = state.counter + 1;
  setState({ ...state, counter: newCounter });
  return newCounter;
}

// 定义一个 Handler：StateHandler
const StateHandler = (initialState) => {
  let currentState = initialState;

  return {
    getState: (resume) => {
      resume(currentState);
    },
    setState: (newState, resume) => {
      currentState = newState;
      resume();
    }
  };
};

// 使用 StateHandler 运行 incrementCounter 函数
const initialState = { counter: 0 };
const stateHandler = StateHandler(initialState);

const runWithState = (fn, handler) => {
  let result = fn();

  while (typeof result === 'object' && result !== null && result.type) {
    const effect = result;
    const operation = handler[effect.type];

    if (!operation) {
      throw new Error(`No handler for effect: ${effect.type}`);
    }

    const resume = (value) => {
      result = fn(value);
    };

    if (effect.type === 'getState') {
      operation(resume);
    } else if (effect.type === 'setState') {
      operation(effect.newState, resume);
    }
  }

  return result;
};

let counter = runWithState(() => incrementCounter(), stateHandler);
console.log('Counter:', counter); // 输出：Counter: 1

counter = runWithState(() => incrementCounter(), stateHandler);
console.log('Counter:', counter); // 输出：Counter: 2

在这个例子中，getState 和 setState 是 Effectful Operations，StateHandler 负责管理状态。runWithState 函数负责执行带状态管理的函数。

5. 总结

Effect Systems 和 Algebraic Effects 都是为了更好地管理 JavaScript 中的副作用，提高代码的可维护性和可测试性。虽然它们采用了不同的方法，但都提供了一种思路：将副作用与计算逻辑分离，使代码更易于理解和维护。

Effect Systems 侧重于通过类型系统来约束副作用，适用于对代码质量要求较高，需要进行静态分析的项目。Algebraic Effects 侧重于将副作用从函数中剥离出来，适用于需要高度可测试性、灵活性，以及需要处理复杂副作用的项目。

希望今天的讲座能帮助大家更好地理解 Effect Systems 和 Algebraic Effects，并在实际项目中灵活运用。 谢谢大家！ 散会！