深入理解Maybe Monad：Python中的概念、挑战与实践

from typing import Callable, TypeVar, Generic, Union, Any

# 定义类型变量
T = TypeVar('T')
U = TypeVar('U')

class Just(Generic[T]):
    """
    Just 类表示 Maybe Monad 中包含一个值的情况。
    它是 Monad 的 'unit' 操作的体现。
    """
    def __init__(self, value: T):
        if value is None:
            # 按照 Maybe Monad 的语义，Just 不应该包含 None
            # 对于 None 值，我们应该使用 Nothing
            raise ValueError("Just cannot contain None. Use Nothing instead.")
        self.value: T = value

    def __repr__(self) -> str:
        return f'Just({repr(self.value)})'

    def __eq__(self, other: Any) -> bool:
        if not isinstance(other, Just):
            return NotImplemented
        return self.value == other.value

    def __hash__(self) -> int:
        return hash(self.value)


class Nothing:
    """
    Nothing 类表示 Maybe Monad 中不包含任何值的情况。
    为了确保 Nothing 只有一个实例，我们将其实现为单例模式。
    """
    _instance = None

    def __new__(cls):
        if cls._instance is None:
            cls._instance = super(Nothing, cls).__new__(cls)
        return cls._instance

    def __repr__(self) -> str:
        return 'Nothing'

    def __eq__(self, other: Any) -> bool:
        return isinstance(other, Nothing)

    def __hash__(self) -> int:
        return hash('Nothing') # 确保 Nothing 单例的哈希值一致

# 定义 Maybe 类型别名，表示 Just[T] 或 Nothing 的联合
Maybe = Union[Just[T], Nothing]

def bind(f: Callable[[U], Maybe[T]], x: Maybe[U]) -> Maybe[T]:
    """
    Maybe Monad 的 bind 操作。
    它接受一个 Monadic 值 (Maybe[U]) 和一个将底层值 (U) 
    映射到另一个 Monadic 值 (Maybe[T]) 的函数 f。
    """
    if isinstance(x, Nothing):
        return x  # 如果是 Nothing，则直接返回 Nothing
    else:
        # 如果是 Just，则对其中的值应用函数 f
        # 注意：f 必须返回一个 Maybe 类型的值
        return f(x.value)

# 辅助函数：将普通函数提升到 Maybe 上下文
def lift(f: Callable[[U], T]) -> Callable[[Maybe[U]], Maybe[T]]:
    """
    将一个普通函数 f: U -> T 提升为 Maybe 上下文中的函数 f': Maybe[U] -> Maybe[T]。
    如果输入是 Nothing，则返回 Nothing；否则，将 f 应用于 Just 中的值，
    并用 Just 重新包装结果。
    """
    def lifted_f(maybe_val: Maybe[U]) -> Maybe[T]:
        if isinstance(maybe_val, Nothing):
            return Nothing()
        else:
            try:
                # 尝试应用函数，并用 Just 包装结果
                result = f(maybe_val.value)
                # 确保结果不是 None，如果是 None，则返回 Nothing
                return Just(result) if result is not None else Nothing()
            except Exception:
                # 捕获函数执行中的任何异常，并将其视为 Nothing
                return Nothing()
    return lifted_f


# --- 示例用法 ---

# 1. 定义一个可能失败的函数
def safe_divide(numerator: int, denominator: int) -> Maybe[float]:
    """
    安全除法函数，如果除数为零，则返回 Nothing，否则返回 Just(结果)。
    """
    if denominator == 0:
        return Nothing()
    return Just(numerator / denominator)

# 2. 定义一个普通函数
def add_one(n: Union[int, float]) -> Union[int, float]:
    return n + 1

# 3. 使用 bind 进行链式操作
# 初始值 Just(10)
result1 = bind(lambda x: safe_divide(x, 2), Just(10))
# result1 是 Just(5.0)
print(f"Result 1: {result1}") 

# 继续链式操作
result2 = bind(lift(add_one), result1)
# result2 是 Just(6.0)
print(f"Result 2: {result2}")

# 尝试除以零，导致 Nothing
result3 = bind(lambda x: safe_divide(x, 0), Just(10))
# result3 是 Nothing
print(f"Result 3: {result3}")

# Nothing 会短路后续操作
result4 = bind(lift(add_one), result3)
# result4 仍然是 Nothing
print(f"Result 4: {result4}")

# 也可以直接从 Nothing 开始
result5 = bind(lift(add_one), Nothing())
# result5 是 Nothing
print(f"Result 5: {result5}")

# 链式调用
# (Just(10) >>= safe_divide(/2)) >>= add_one >>= safe_divide(/3)
chained_result = bind(
    lift(lambda x: x / 3),
    bind(
        lift(add_one),
        bind(
            lambda x: safe_divide(x, 2),
            Just(10)
        )
    )
)
print(f"Chained Result: {chained_result}") # Just(2.0)

# 链式调用中途出现 Nothing
chained_failure = bind(
    lift(lambda x: x / 3),
    bind(
        lift(add_one),
        bind(
            lambda x: safe_divide(x, 0), # 这里会产生 Nothing
            Just(10)
        )
    )
)
print(f"Chained Failure: {chained_failure}") # Nothing