Algebraic Effects，以及它在React中的应用

Algebraic Effects是一个在编程语言研究领域新兴的机制，虽然目前还没有工业语言实现它，但是在React社区会经常听到关于它的讨论。React最近新特性（Suspense和hooks）的背后实际上是Algebraic Effects的概念。因此，我花了一些时间来了解Algebraic Effects，希望体悟到React团队是如何理解这些新特性的。

Algebraic Effects

每一个Algebraic Effect都是一轮【程序控制权】的移交与归还：

【effect发起者】发起effect，并暂停执行（暂时交出程序控制权）
-> 沿着调用栈向上查找对应的effect handler（类似于try...catch的查找方式）
-> effect handler执行（获得程序控制权）
-> effect handler执行完毕，【effect发起者】继续执行（归还程序控制权）

例子（这并不是合法的JavaScript）：

function getName(user) {
  let name = user.name;
  if (name === null) {
      name = perform 'ask_name'; // perform an effect to get a default name!
  }
  return name;
}

function makeFriends(user1, user2) {
  user1.friendNames.push(getName(user2));
  user2.friendNames.push(getName(user1));
}

const arya = { name: null, friendNames: [] };
const gendry = { name: 'Gendry', friendNames: [] };
try {
  makeFriends(arya, gendry);
} handle (effect) { // effect handler!
  if (effect === 'ask_name') {
    const defaultName = await getDefaultNameFromServer();
      resume with defaultName; // jump back to the effect issuer, and pass something back!
  }
}

console.log('done!');

注意几点：

effect发起者不需要知道effect是如何执行的，effect的执行逻辑由调用者来定义。“做什么”与“怎么做”相互解耦了。
Algebraic effects can be a very powerful instrument to separate the what from the how in the code.
这一点与try...catch相同，抛出错误的人不需要知道错误是如何被处理的。
getName可以看成纯函数，因为它只发出“要做什么”的指示，而没有自己实际去做。这样的函数非常容易测试，因为它本身没有执行任何的副作用。
effect执行完以后，会回到effect发起处，并提供effect的执行结果。
这一点与try...catch不同，try...catch无法恢复执行。
中间调用者对Algebraic Effects是无感的，比如例子中的makeFriends。

Algebraic Effects 与 async / await 的区别

用async / await实现上面的例子：

async function getName(user) {
  let name = user.name;
  if (name === null) {
      name = await getDefaultNameFromServer();
  }
  return name;
}

async function makeFriends(user1, user2) {
  user1.friendNames.push(await getName(user2));
  user2.friendNames.push(await getName(user1));
}

const arya = { name: null, friendNames: [] };
const gendry = { name: 'Gendry', friendNames: [] };

makeFriends(arya, gendry)
  .then(() => console.log('done!'));

异步性会感染所有上层调用者

可以发现，makeFriends现在变成异步的了。这是因为异步性会感染所有上层调用者。如果要将某个同步函数改成async函数，是非常困难的，因为它的所有上层调用者都需要修改。
而在前面Algebraic Effects的例子中，中间调用者makeFriends对Algebraic Effects是无感的。只要在某个上层调用者提供了effect handler就好。

可复用性的区别

注意另一点，getName直接耦合了（写死了）副作用方法getDefaultNameFromServer。而在前面Algebraic Effects的例子中，副作用的执行逻辑是【在运行时】【通过调用关系】【动态地】决定的。这大大增强了getName的可复用性。

在async / await的例子中，通过依赖注入能够达到与Algebraic Effects类似的可复用性。如果getName通过依赖注入来得到副作用方法getDefaultNameFromServer（比如getName通过函数参数来拿到副作用方法），那么getName函数在可复用性上确实与使用Algebraic Effects时相同，并且也是易于测试的（测试的时候注入一个假的getDefaultNameFromServer即可）。但是前面所说的【异步性会感染所有上层调用者】的问题依然存在，getName和makeFriends都要变成异步的。

Algebraic Effects 与 Generator Functions 的区别

与async / await类似，Generator Function的调用者在调用Generator Function时也是有感的。Generator Function将程序控制权交给它的直接调用者，并且只能由直接调用者来恢复执行、提供结果值。

直接调用者也可以选择将程序控制权沿着执行栈继续向上交。这样的话，直接调用者（下面例子的makeFriends）自己也要变成Generator Function（被感染，与async / await类似），直到遇到能提供【结果值】的调用者（下面例子的main）。

function* getName(user) {
  let name = user.name;
  if (name === null) {
      name = yield 'ask_name'; // perform an effect to get a default name!
  }
  return name;
}

function* makeFriends(user1, user2) {
  user1.friendNames.push(yield* getName(user2));
  user2.friendNames.push(yield* getName(user1));
}

async function main() {
  const arya = { name: null, friendNames: [] };
  const gendry = { name: 'Gendry', friendNames: [] };
  
  let gen = makeFriends(arya, gendry);
  let state = gen.next();
  while(!state.done) {
      if (state.value === 'ask_name') {
          state = gen.next(await getDefaultNameFromServer());
      }
  }
}

main().then(()=>console.log('done!'));

可以看出，在可复用性上，getName没有直接耦合副作用方法getDefaultNameFromServer，而是让某个上层调用者来完成副作用。这一点与使用Algebraic Effects时相同。
redux-sagas就使用Generator Functions，将副作用的执行从saga中抽离出来，saga只需要向调用者发出副作用请求，并将执行权交给调用者，而不自己执行副作用。这使得saga成为纯函数，易于测试:

// 这是一个saga
function* fetchUser(action) {
   try {
      const user = yield call(Api.fetchUser, action.payload.userId);
      yield put({type: "USER_FETCH_SUCCEEDED", user: user});
   } catch (e) {
      yield put({type: "USER_FETCH_FAILED", message: e.message});
   }
}

理论上，确实可以利用generator function的控制权转移来实现Algebraic Effects。但是，无法避免感染调用者的问题，无法像真正的Algebraic Effects那样让调用者无感知。你需要将所有的Functional Component、custom hooks都改造成generator function。并且generator function只能从上次yield的地方恢复执行，而不能恢复到更早的yield状态。详见React Fiber架构：可控的“调用栈”。

React中的Algebraic Effects

虽然JavaScript语言不支持Algebraic Effects（事实上，支持Algebraic Effects的语言屈指可数），但是得益于React自己实现的Fiber执行模型，React可以提供接近Algebraic Effects的能力。

在React Fiber架构：可控的“调用栈”这篇文章中，我们讨论了React Fiber架构是一种可控的执行模型，每个fiber执行完自己的工作以后就会将控制权交还给调度器，由调度器来决定什么时候执行下一个fiber。

Suspend

<Suspend>就是一个例子。当React在渲染的过程中遇到尚未就绪的数据时，能够暂停渲染。等到数据就绪的时候再继续：

// cache相关的API来自React团队正在开发的react-cache：
// https://github.com/facebook/react/tree/master/packages/react-cache
const cache = createCache();
const UserResource = createResource(fetchUser); // fetchUser is async

const User = (props) => {
    const user = UserResource.read( // 用同步的方式来编写异步代码!
        cache,
          props.id
    );
  return <h3>{user.name}</h3>;
}

function App() {
  return (
    <div>
      <Suspense fallback={<div>Loading...</div>}>
        <User id={123} />
      </Suspense>
    </div>
  );
}

react-cache是React团队正在开发的特性，将<Suspense>用于数据获取的场景，让需要等待数据的组件“暂停”渲染。
目前已经发布的，通过React.lazy来暂停渲染的能力，其实也是类似的原理。

在心智模型中，UserResource.read可以看做发起了一个Algebraic Effect。User发出这个effect以后，控制权暂时交给了React（因为React是User的调用者）。React scheduler提供了对应的effect handler，检查cache中是否有对应id的user：

如果在cache中，则立即将控制权交还给User，并提供对应的user数据。
如果不在cache中，则调用fetchUser从网络请求对应id的user，在此过程中，渲染暂停，<Suspense>渲染fallback视图。得到结果以后，将控制权交还给User，并提供对应的user数据。

在实际实现中，它是通过throw来模拟Algebraic Effect的。如果数据尚未准备好，UserResource.read会抛出一个特殊的promise。得益于React Fiber架构，调用栈并不是React scheduler -> App -> User，而是：先React scheduler -> App然后React scheduler -> User。因此User组件抛出的错误会被React scheduler接住，React scheduler会将渲染“暂停”在User组件。这意味着，前面的App组件的工作不会丢失。等到promise解析到数据以后，从User fiber开始继续渲染（相当于控制权直接交还给User）。
继续渲染的方式：React scheduler从上次暂停的组件开始（即User组件），调用render进行渲染，这次渲染的时候User组件能够从cache立即拿到数据。

得益于“render是纯函数”的契约，重新执行User->render不会担心有副作用；
得益于“React已经教育用户使用useMemo来缓存昂贵计算”，重新执行User->render不会有明显的性能劣势。

如果直接使用调用栈来管理组件树的渲染（递归渲染），那么App组件的渲染工作会因为User抛出值而丢失，下次渲染需要从头开始。

Hooks

React团队将hooks都看做Algebraic Effect，React调度器提供了各种基本hooks的“effect handler”，在调用render函数的时候为其提供上下文信息。

比如，useState的返回值取决于它的所处“调用上下文”，即它在组件树中的节点，即fiber。比如一个组件树中有2个Counter组件，那么这两个Counter调用useState的时候，所处的上下文是不一样的，因此它们的useState返回值是独立的。useMemo同理。

参考资料

我的知乎回答：如何看待 Crank 这个前端框架？
Algebraic effects, Fibers, Coroutines...
Algebraic Effects for the Rest of Us
Fiber Principles: Contributing To Fiber

Algebraic Effects，以及它在React中的应用