Tài liệu Nghiên cứu lập trình phản ứng với ngôn ngữ elm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NHƢ MINH NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH PHẢN ỨNG VỚI NGÔN NGỮ ELM LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2015 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NHƢ MINH NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH PHẢN ỨNG VỚI NGÔN NGỮ ELM Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm Mã số: 60480103 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRƢƠNG ANH HOÀNG Hà Nội - 2015 2 LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trƣơng Anh Hoàng đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Công nghệ Thông tin, trƣờng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, những ngƣời đã tận tình truyền đạt các kiến thức, quan tâm, động viên trong suốt thời gian tôi học tập và nghiên cứu tại Trƣờng. Nhân đây cho phép tôi gửi lời cảm ơn tới nhóm các bạn học cùng lớp K20CNPM, lớp chuyên ngành công nghệ phần mềm đã thƣờng xuyên quan tâm, giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, cung cấp các tài liệu hữu ích trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Tác giả luận văn Nguyễn Như Minh 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn “Nghiên cứu lập trình phản ứng với ngôn ngữ Elm” là công trình nghiên cứu của tôi dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS. Trƣơng Anh Hoàng, tham khảo các nguồn tài liệu đã chỉ rõ trong trích dẫn và danh mục tài liệu tham khảo. Các nội dung công bố và kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào. Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Tác giả luận văn Nguyễn Như Minh 4 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 3 LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... 4 MỤC LỤC .................................................................................................................. 5 DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................... 7 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 8 Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 8 Mục đích nghiên cứu............................................................................................. 9 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu......................................................................... 9 Kết cấu của luận văn ........................................................................................... 10 CHƢƠNG 1-GIỚI THIỆU VỀ LẬP TRÌNH PHẢN ỨNG..................................... 11 1.1 Giới thiệu lập trình phản ứng ........................................................................ 11 1.2 Lập trình phản ứng là luồng dữ liệu.............................................................. 13 1.3 Đặc điểm của lập trình phản ứng .................................................................. 17 1.4 Lập trình hàm phản ứng ................................................................................ 19 1.4.1 Classical FRP ....................................................................................... 19 1.4.2 Real-time FRP & Event-Driven FRP .................................................. 20 1.4.3 Arrowized FRP .................................................................................... 21 CHƢƠNG 2 – LẬP TRÌNH PHẢN ỨNG VỚI NGÔN NGỮ ELM....................... 23 2.1 Khái quát về ngôn ngữ lập trình hàm............................................................ 23 2.1.1 Định nghĩa ........................................................................................... 23 2.1.2 Tính khai báo của ngôn ngữ hàm ........................................................ 23 2.1.3 Một số khái niệm cơ bản trong ngôn ngữ hàm.................................... 25 2.2 Cơ bản về ngôn ngữ Elm .............................................................................. 29 5 2.2.1 Các cú pháp cơ bản .............................................................................. 29 2.2.2 Ví dụ về giao diện đồ họa trong Elm.................................................. 33 2.2.3 Các tín hiệu tƣơng tác trong Elm......................................................... 36 2.3 Các ƣu điểm của ngôn ngữ Elm .................................................................... 41 2.4 Các thao tác với tín hiệu trong Elm .............................................................. 43 2.5 Lập trình tƣơng tác ........................................................................................ 47 2.6 Gỡ lỗi trong Elm ........................................................................................... 49 2.7 Kiến trúc Elm trong lập trình trò chơi........................................................... 51 CHƢƠNG 3 – XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TRÒ CHƠI HOCKEY ........................ 53 3.1 Mô tả trò chơi ................................................................................................ 53 3.2 Phân tích trò chơi .......................................................................................... 55 3.3 Xây dựng code chƣơng trình với ngôn ngữ Elm .......................................... 58 3.3.1 Xây dựng giao diện.............................................................................. 58 3.3.2 Xây dựng mô hình dữ liệu ................................................................... 62 3.3.3 Xây dựng tín hiệu đầu vào................................................................... 64 3.3.4 Cập nhật dữ liệu chƣơng trình ............................................................. 64 3.3.5 Thực thi và chạy chƣơng trình............................................................. 70 3.4 Nhận xét, đánh giá và thảo luận .................................................................... 71 3.4.1 Ƣu điểm của lập trình phản ứng .......................................................... 71 3.4.2 Một số khó khăn của lập trình phản ứng ............................................. 72 3.4.3 Ƣu điểm của ngôn ngữ Elm................................................................. 73 3.4.4 Nhƣợc điểm của ngôn ngữ Elm ........................................................... 75 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 78 6 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Sự truyển đổi giá trị liên tục của dòng theo tín hiệu chuột............ 16 Hình 1.2: Sơ đồ các đặc điểm của lập trình phản ứng ................................... 18 Hình 2.1: Hiển thị văn bản trong Elm............................................................ 32 Hình 2.2: Các Forms đồ họa đƣợc tạo ........................................................... 34 Hình 2.3: Tạo và kết hợp các hình dạng thành một thành phần .................... 36 Hình 2.4: Bảng các tín hiệu đầu vào trong Elm ............................................. 37 Hình 2.5: Theo dõi sự chuyển động của trỏ chuột [5] ................................... 38 Hình 2.6: Di chuyển đối tƣợng là hình tròn bằng các phím mũi tên ............. 41 Hình 2.7: Mô tả quá trình hoạt động của tín hiệu .......................................... 44 Hình 2.8: Elm’s Time Traveling Debugger ................................................... 51 Hình 3.1: Ca sử ngƣời chơi ............................................................................ 54 Hình 3.2: Ca sử dụng sân bóng ...................................................................... 55 Hình 3.3: Mô hình các kiểu dữ liệu trong trò chơi ........................................ 57 Hình 3.4: Giao diện chính của trò chơi .......................................................... 60 Hình 3.5: Văn bản hƣớng dẫn trò chơi .......................................................... 61 Hình 3.6: Giao diện trò chơi khi kết thúc ...................................................... 62 Hình 3.7: Giao diện Degbug chƣơng trình .................................................... 70 7 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Ngày nay Internet kết nối hàng tỷ ngƣời trên khắp thế giới và ứng dụng phổ biến nhƣ các mạng xã hội, công cụ tìm kiếm, các dịch vụ blog cá nhân… đƣợc sử dụng bởi hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ ngƣời sử dụng trên máy tính. Điều này thể hiện một sự thay đổi cả về phạm vi và quy mô của những gì chúng ta mong đợi về máy tính có thể làm cho con ngƣời. Với lợi ích của các ứng dụng web hiện đại và các ứng dụng trên di động đều có tính tƣơng tác cao với vô số các sự kiện liên quan đến tƣơng tác của ngƣời dùng. Các ứng dụng ngày càng phát triển và phong phú cho phép tƣơng tác cao với ngƣời sử dụng ở thời gian thực. Để làm đƣợc điều đó chúng ta cần phải nghiên cứu và thiết kế những ứng dụng phổ biến để thực hiện những kỹ thuật này. Điều đầu tiên là khi chúng ta cung cấp cho một máy tính một nhiệm vụ chúng ta muốn nó phản ứng lại nhanh nhất có thể. Nói một cách khác các máy tính phải phản ứng với ngƣời sử dụng của nó và đáp ứng đƣợc các yêu cầu một cách chính xác. Ví dụ khi chúng ta gửi một email thông qua Gmail bạn muốn xác nhận rằng nó đã đƣợc gửi đi hoặc khi ta xóa một email thì nó sẽ biến mất khỏi danh sách hiển thị, tất cả những thao tác ngƣời sử dụng đều đƣợc hiển thị bởi các trình duyệt web. Hoặc khi chúng ta chơi một trò chơi thì các tƣơng tác của chúng ta với các nhân vật trong trò chơi phải đƣợc phản ứng theo ý của chúng ta trong một thời gian nhất định để có thể đạt mục đích. Để có thể làm đƣợc những điều này thì lập trình phản ứng là một câu trả lời. Lập trình phản ứng là sự kết hợp của hệ thống đồng thời và hệ thống hƣớng sự kiện và cho phép xử lý luồng dữ liệu không đồng bộ nhƣng vẫn duy trì phong cách của những ngôn ngữ lập trình thông thƣờng. Lập trình phản ứng làm tăng mức độ trừu tƣợng mã giúp ngƣời lập trình tập trung vào các sự kiện có liên quan tới nhau giải quyết những logic phức tạp. Mã 8 trong lập trình phản ứng thƣờng ngắn gọn, rõ dàng và dễ duy trì hơn. Tƣ duy trong lập trình phản ứng thƣờng thiên về việc truyển đổi từ các dữ liệu đầu vào tƣơng tác với dữ liệu trong chƣơng trình để hiện thị dữ liệu đầu ra. Ở trên thế giới hiện nay lập trình phản ứng là một xu hƣớng mới nổi đƣợc dựa trên luồng chảy dữ liệu (dataflow) và giá trị của chúng sẽ đƣợc thay đổi một cách tự động nếu nhƣ có sự tác động từ môi trƣờng bên ngoài vào. Với sự phổ biến của hƣớng sự kiện, khả năng mở rộng và các kiến trúc tƣơng tác trên cả máy chủ và máy trạm các khái niệm về "reactiveness" đang ngày càng đƣợc chú ý. Nó ứng dụng rất cao để viết các ứng dụng web hoặc các hệ thống liên quan tới cơ sở dữ liệu lớn và cũng là phƣơng pháp tạo ra nhiều hệ thống đồng thời có tính hiệu quả cao. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu trong luận văn nhằm tìm hiểu các đặc điểm của lập trình phản ứng, cụ thể ở đây là nghiên cứu về lập trình phản ứng trong ngôn ngữ Elm, một ngôn ngữ khá mới trên thế giới và đang trong quá trình phát triển. Từ đó nắm vững đƣợc các đặc điểm của lập trình phản ứng cũng nhƣ cách vận dụng chúng trong ngôn ngữ Elm để tạo ra các ứng dụng mang tích tƣơng tác với ngƣời sử dụng có tính hiệu quả cao. Mục đích thứ 2 là hiểu rõ đƣợc các cú pháp cũng nhƣ phƣơng thức hoạt động động của ngôn ngữ Elm từ đó áp dụng vào để xây dựng lên một chƣơng trình cụ thể. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đầu tiên ta sẽ nghiên cứu các đặc điểm và phƣơng thức hoạt động của lập trình phản ứng xem chúng có điểm tƣơng đồng gì với luồng dữ liệu. Tiếp theo tôi tập chung nghiên cứu sâu về ngôn ngữ Elm để làm nổi bật đƣợc các đặc điểm của lập trình phản ứng. Ngôn ngữ Elm là một ngôn ngữ mới đƣợc phát triển nó hoạt động dựa trên các thao tác với các giá trị đầu vào cái đƣợc gọi là tín hiệu (Signal). Tín hiệu là các giá trị dòng chảy thay đổi theo thời gian và nó đƣợc thiết lập và xử 9 lý để thay đổi các giá trị luồng dữ liệu trong chƣơng trình. Các thƣ viện trong Elm cũng khá là đơn giản và đầy đủ cho phép tối ƣu hóa mã lập trình và tạo giao diện tƣơng tác ngƣời dùng một cách dễ dàng. Elm là hoàn toàn hƣớng sự kiện và việc tính toán lại giá trị chỉ trừ khi một sự kiện xảy ra và nó hỗ trợ việc xử lý các luồng dữ liệu không đồng bộ. Cuối cùng tôi sẽ xây đựng một trò chơi bằng ngôn ngữ Elm để thể hiện rõ đƣợc đặc điểm của lập trình phản ứng trong đó. Kết cấu của luận văn Luận văn của tôi trình bày ngoài phần mở đầu, mục lục, danh mục tài liệu tham khảo, kết quả đạt đƣợc thì nội dung của luận văn gồm 3 chƣơng. Chƣơng 1 sẽ nghiên cứu về lập trình phản ứng, nội dung trong chƣơng sẽ nêu ra những đặc điểm về lập trình phản ứng, đặc điểm về luồng dữ liệu và xem chúng có những đặc điểm gì tƣơng đồng hay không. Chƣơng 2 tôi sẽ nghiên cứu đôi nét về lập trình hàm từ đó đi sâu về các cú pháp cơ bản của ngôn ngữ lập trình hàm Elm và cách tạo các giao diện đồ họa và tìm hiểu các tín hiệu đầu vào tƣơng tác với chƣơng trình. Sau đó tôi sẽ đi sâu vào cơ chế vận hành của ngôn ngữ Elm với các tín hiệu để thấy rõ đƣợc điểm mạnh của của lập trình hàm phản ứng. Cũng trong chƣơng này ta nghiên cứu về trình gỡ lỗi và lập trình tƣơng tác trong Elm. Chƣơng 3 sẽ áp dụng ngôn ngữ Elm vào để xây dựng một trò chơi nhỏ thể hiện rõ các đặc điểm của lập trình hàm phản ứng. Qua ứng dụng trò chơi cũng nhƣ các nghiên cứu thì luận văn tôi sẽ đƣa ra một số nhận xét, đánh giá, thảo luận về ƣu nhƣợc điểm của lập trình phản ứng trong chƣơng này. Nhờ những đánh giá này mà các nhà nghiên cứu và ngƣời lập trình có thể tiếp tục phát triển ngôn ngữ Elm dùng nó làm công cụ để tạo ra các ứng dụng mang tính tƣơng tác cao với ngƣời sử dụng. 10 CHƢƠNG 1-GIỚI THIỆU VỀ LẬP TRÌNH PHẢN ỨNG 1.1 Giới thiệu lập trình phản ứng Lập trình phản ứng là một mô hình lập trình tập trung vào các luồng (flow) dữ liệu và sự lan truyền thay đổi của dữ liệu. Điều này có nghĩa chúng ta có thể biểu diễn các dòng dữ liệu tĩnh hoặc động trong ngôn ngữ lập trình và mô hình lập trình sẽ tự động lan truyền các thay đổi thông qua luồng dữ liệu này. [13] Ví dụ trong lập trình truyền thống (imperative programming) a:= b + c sẽ có nghĩa là gán các kết quả b + c cho a. Sau đó nếu ta gán cho b và c giá trị khác, thì giá trị của a không thay đổi theo. Nhƣng trong lập trình phản ứng giá trị a sẽ tự động cập nhật khi chúng ta thay đổi giá trị của b hoặc c. Hay nhƣ một chƣơng trình bảng tính Excel là một ví dụ về lập trình phản ứng. Ví dụ ô (cell) A1 chứa công thức “=B1+C1”, thì giá trị của ô A1 này thay đổi khi chúng ta thay đổi giá trị ở ô B1 hoặc C1. Lập trình phản ứng chính cho phép ngƣời lập trình dễ dàng tạo ra các giao diện ngƣời dùng tƣơng tác, hình ảnh động cho các hệ thống thời gian thực, nhƣng vẫn tuân theo mô hình lập trình thông dụng. Ví dụ trong kiến trúc MVC (ModelView-Controller) với lập trình phản ứng, chúng ta chỉ cần thay đổi mô hình thì giao diện sẽ tự động đƣợc cập nhật và ngƣợc lại khi ngƣời dùng thay đổi giá trị trên giao diện, thì giá trị đó cũng đƣợc tự động cập nhật trên mô hình. Ngôn ngữ lập trình phản ứng có thể thay đổi rất rõ ràng nơi mà các luồng dữ liệu đƣợc thiết lập bằng cách sử dụng các cấu trúc lập trình hàm có trong thƣ viện, ở đó các luồng dữ liệu đƣợc xây dựng từ các cấu trúc ngôn ngữ giống nhƣ lập trình truyền thống hay lập trình hàm. Ví dụ lập trình hàm phản ứng (functional reactive programming) là mô hình lập trình hàm với phong cách lập trình phản ứng đƣợc thực thi bởi một nút trong một đồ thị luồng dữ liệu đã đƣợc cấu trúc. Thƣ viện lập trình phản ứng dành cho các ngôn ngữ khá linh động cho phép xây dựng các nút để xử lý một sự kiện nào đó 11 từ bên ngoài dựa vào thời gian thực thi chƣơng trình để cập nhật giá trị luồng dữ liệu. Các nút trong đồ thị luồng dữ liệu là nơi mà chƣơng trình trao đổi thông tin với nhau. Lập trình phản ứng có thể hoàn toàn tĩnh nơi các luồng dữ liệu đƣợc thiết lập tĩnh hoặc là động nơi các dòng dữ liệu có thể thay đổi trong quá trình thực hiện chƣơng trình. Việc trao đổi dữ liệu trong đồ thị dòng dữ liệu tới phạm vi nào đó có thể làm dòng dữ liệu tĩnh trở thành động và có thể cấu trúc lại đồ thị dòng dữ liệu. Lập trình phản ứng có thể đƣợc gọi là bậc cao nếu trong chƣơng trình các luồng dữ liệu có thể tạo ra các luồng dữ liệu khác dẫn tới kết quả đầu ra của một luồng dữ liệu là một đồ thị luồng dữ liệu khác và cũng đƣợc thực hiện bằng các mô hình đánh giá nhƣ lúc đầu. Trong lập trình phản ứng các tính toán thƣờng đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ và ở dạng dữ liệu cấu trúc. Khi một vài dữ liệu trong chƣơng trình thay đổi sẽ làm thay đổi toàn bộ dữ liệu có liên quan thay đổi theo, việc cập nhật dữ liệu có thể có nhiều cách nhƣng thông thƣờng nhất vẫn là giá trị đƣợc lƣu trữ lại và đƣợc gọi khi cần. Lập trình phản ứng có nhiều điểm giống với các mô hình thiết kế phần mềm chung thƣờng đƣợc sử dụng trong lập trình hƣớng đối tƣợng. Tuy nhiên việc tích hợp các khái niệm luồng dữ liệu vào các ngôn ngữ lập trình sẽ làm cho nó dễ dàng hơn để thể hiện chúng và làm tăng mức chi tiết của biểu đồ luồng dữ liệu. Về cơ bản trong lập trình phản ứng luôn thể hiện đƣợc dữ liệu nhƣ là “giá trị thay đổi theo thời gian” chúng có thể đƣợc kết hợp, lọc, nối và chuyển đổi để cập nhật giá trị mới nhất. Lập trình phản ứng luôn mang tính hƣớng sự kiện và dữ liệu đƣợc mô hình thành các tín hiệu chứa giá trị hiện tại, thay đổi một cách rời rạc gọi là sự kiện. Các sự kiện này trên thực thực tế là một dòng sự kiện bất đồng bộ, hay cũng có thể nói lập trình phản ứng là lập trình với dòng dữ liệu bất đồng bộ. 12 1.2 Lập trình phản ứng là luồng dữ liệu Lập trình phản ứng là một thuật ngữ đã trở nên phổ biến gần đây và nguồn gốc của nó xuất hiện là năm 1985. Trên bài báo“On the Development of Reactive Systems” đƣợc viết bởi (David Harel & Amir Pnueli, 1985) đã đƣợc định nghĩa về hệ thống phản ứng (reactive systems): “Các hệ phản ứng… là đƣợc lặp đi lặp lại ngay tức thời bởi các yếu tố bên ngoài và vai trò của chúng là đáp ứng liên tục với các dữ liệu đầu vào từ bên ngoài.”[7] Một vài năm sau đó vào năm 1989 trong bài báo “Real Time Programming: Special Purpose or General Purpose Languages” của (Gerard Berry, 1989) đã tập trung vào khía cạnh phần mềm: “ Hệ phản ứng là điểm thuận lợi để phân biệt giữa ba loại chƣơng trình máy tính. Chƣơng trình trao đổi thông tin tính toán từ một tập hợp các yếu tố đầu vào; ví dụ điển hình là các trình biên dịch hoặc các chƣơng trình tính toán số. Các chƣơng trình tƣơng tác tƣơng tác phản ứng ở tốc độ của riêng của chúng với ngƣời dùng hoặc với các chƣơng trình khác. Các chƣơng trình phản ứng cũng duy trì tính tƣơng tác liên tục với môi trƣờng của chúng và đƣợc quyết định bởi môi trƣờng. Các chƣơng trình tƣơng tác làm việc ở tốc độ của riêng chúng và chủ yếu là đối phó với các thông tin liên lạc, trong khi đó chƣơng trình phản ứng chỉ làm việc để đáp ứng với nhu cầu bên ngoài và chủ yếu là xử lý chính xác các sự sự kiện diễn ra.” [8] Vì vậy ta có thể nói rằng lập trình phản ứng gồm các yếu tố sau: [2]  Xử lý đáp ứng các yêu cầu bên ngoài.  Chủ yếu là xử lý song song các luồng dữ liệu.  Điều chỉnh thay đổi phù hợp với dữ liệu đầu vào.  Dùng để thực hiện các vấn đề liên quan đến tính tƣơng tác và thƣờng xuyên thay đổi thông tin. 13 Chúng ta cùng tìm hiểu khái niệm luồng dữ liệu là khi dữ liệu điều khiển thực thi chƣơng trình và kiểm tra các dữ liệu đầu vào sau đó phản ứng với sự thay đổi dữ liệu, cập nhật bất cứ khi nào dữ liệu mới đến. Bất kỳ hệ thống nào mà ở đó dữ liệu di chuyển giữa các đơn vị mã và đƣợc kích hoạt thực thi chúng có thể đƣợc gọi là luồng dữ liệu trong đó bao gồm các hệ thống phản ứng. Vì vậy ta xem xét lập trình phản ứng là một tập hợp con của luồng dữ liệu nhƣng là một nhóm khá lớn. Trong trƣờng hợp bình thƣờng lập trình phản ứng đƣợc coi nhƣ là một từ đồng nghĩa với luồng dữ liệu. [2] Luồng dữ liệu nhƣ là một mô hình kết nối giữa các đối tƣợng trong một ứng dụng, trong chƣơng trình nó sẽ phản ứng một cách khá hiệu quả với những thay đổi dữ liệu đầu vào từ môi trƣờng bên ngoài vào. Các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu và phát triển những cái lợi thế của các ràng buộc của luồng dữ liệu bằng việc nhúng luồng dữ liệu vào các ngôn ngữ lập trình nhằm xử lý các ràng buộc giữa các giá trị của các đối tƣợng dựa trên các sự kiện tác động bên ngoài cái mà chúng ta thƣờng gọi là phản ứng. Với phƣơng pháp này các đối tƣợng sẽ đƣợc khai báo nhƣ các kiểu dữ liệu căn bản, dữ liểu mảng, con trỏ hay dữ liệu cấu trúc và việc định nghĩa ràng buộc các câu lệnh sẽ tự động tái xử lý các đầu vào thay đổi trong bộ nhớ làm cho chƣơng trình chúng ta hoạt động nhƣ một bảng tính mà các giá trị của biến này phụ thuộc vào biến kia. Một số tính năng của dòng dữ liệu:  Dataflow có khả năng quản lý song song các luồng dữ liệu.  Dataflow là đáp ứng với sự thay đổi dữ liệu thông qua các sự kiện. Giá trị truyền vào thay đổi thì dòng dữ liệu thay đổi theo.  Dataflow nhƣ sự thay thế cho phƣơng pháp “callback hell”.  Dataflow nhƣ một đồ thị chứa tập các nút và khi dữ liệu đến nó sẽ đƣợc xử lý và thực thi một nhiệm vụ nào đó nếu đƣợc yêu cầu từ bên ngoài. 14 Lập trình phản ứng đƣợc coi là lập trình với các dòng dữ liệu không đồng bộ. Các sự kiện trong dòng có thể xảy ra bất cứ lúc nào và không cần phải xảy ra theo một trình tự thông thƣờng điển hình là các sự kiện nhấp chuột hoặc di chuột là là một dòng sự kiện không đồng bộ, giá trị của chúng luôn đƣợc cập nhật mà không phải đợi thời gian tính toán lâu dài của một sự kiện khác trong chƣơng trình. Phản ứng là ý tƣởng của việc tự sinh (steroids) [12] nên chúng ta có thể tạo ra các dòng dữ liệu từ các biến, dữ liệu ngƣời dùng nhập vào, các bộ nhớ đệm, các cấu trúc dữ liệu…bằng những tín hiệu tác động từ môi trƣờng bên ngoài vào làm thay đổi giá trị của chƣơng trình. Một dòng dữ liệu là một chuỗi các sự kiện diễn ra trong một thời gian. Để hiểu rõ hơn về dòng dữ liệu trong lập trình phản ứng ta xét một số ví dụ sau: Ví dụ 1: Tạo ra một dòng sự kiện nhấp chuột với mỗi lần click chuột sẽ in ra tổng số lần nhấp chuột. 1 2 3 4 5 7 8 9 import Graphics.Element exposing (..) import Mouse main : Signal Element main= Signal.map show countClick countClick : Signal Int countClick= Signal.foldp (\clk count -> count +1)0 Mouse.clicks Dòng dữ liệu ở ví dụ trên chính là tín hiệu click chuột (Mouse.clicks) cứ mỗi lần nhấp chuột dòng dữ liệu sẽ thay đổi thể hiện qua hàm countClick. Hàm này sẽ thể hiện đƣợc khi ngƣời dùng nhấp chuột một lần thì tổng số lần nhấp chuột sẽ tăng lên. Hàm main sẽ sử dụng hàm Signal.map để chuyển hàm countClick từ kiểu Int sang kiểu thành phần (Element) khi đó giá trị sẽ đƣợc hiển thị trên màn hình. Ví dụ 2: Trong ví dụ này dòng dữ liệu sẽ thay đổi giá trị khi tín hiệu chuột thay đổi. Xét đoạn mã trong ngôn ngữ Elm dƣới đây : 15 1 import Color exposing (..) 2 import Graphics.Collage exposing (..) 3 import Graphics.Element exposing (..) 4 import Signal exposing (Signal, map, map2) 5 import Mouse 6 import Window 7 scene (w,h) (x,y) = 8 collage w h 9 [ filled red (circle 30) 10 , rotate (degrees(toFloat y)) (scale (toFloat x/100) (outlined (solid blue) (rect 50 50))) 11 , rotate (degrees 30) (toForm (show "hello")) 12 ] 13 main = map2 scene Window.dimensions Mouse.position Hàm main ở trên sẽ thực thi chƣơng trình và thông số của cửa sổ trình duyệt và thông số chuột đƣợc truyền vào hàm scene. Hàm collage nhƣ một tập hợp các dòng thành phần: Dòng thành phần thứ nhất là hình tròn bán kính 30, dòng thứ 2 là sự kiện quay theo trục y và kéo giãn tự động theo trục x của hình vuông, dòng thứ 3 là dòng text "hello" nghiêng 30 độ và tất cả chúng hợp chung thành một hàm dòng chảy. Các tín hiệu đƣợc kết hợp chuyển đổi giá trị thông qua hàm map2. Khi sự kiện di chuột diễn ra thì kích cỡ hình vuông sẽ tự động co giãn và xoay theo hƣớng chúng ta di chuột. Hình 1.1: Sự truyển đổi giá trị liên tục của dòng theo tín hiệu chuột 16 1.3 Đặc điểm của lập trình phản ứng Lập trình phản ứng có những đặc điểm sau: [15,16,17]  React to events: Phản ứng hƣớng sự kiện là mô hình lập trình dựa trên các sự kiện đầu vào hoặc các thông điệp (message) từ bên ngoài. Do đó ngƣời lập trình có thể viết sẵn các hàm xử lý sự kiện có thể xảy ra khi ngƣời dùng tƣơng tác. Thay vì phải chờ chƣơng trình xử lý thì ngƣợc lại chƣơng trình chờ tƣơng tác của ngƣời dùng có nghĩa là hệ thống sẽ phản ứng ngay lập tức khi có sự kiện xảy ra.  React to load: Là một ứng dụng có khả năng mở rộng theo cách sử dụng của nó. Chúng ta có thể xây dựng lên các hệ thống đồng thời xử lý song song nhiều luồng dữ liệu cùng một lúc và tạo ra khả năng cập nhật các sự xảy ra cùng một thời điểm hay chính là tạo ra cơ chế đồng bộ hóa cho mỗi dòng để duy trì thứ tự các sự kiện trong lập trình phản ứng.  React to failure: Khả năng nắm bắt và phục hồi lỗi. Trong lập trình phản ứng các sự kiện đƣợc gắn liền với thời gian và khi chúng ta di chuyển thời gian chạy trạng thái sẽ đƣợc lƣu trữ. Các sự kiện đầu vào điểu khiển trạng thái thay đổi khi chƣơng trình chạy và chúng đƣợc ghi lại nhƣ những bản ghi. Một hệ thống có khả năng tìm và xử lý chính xác các bản ghi bị lỗi là một hệ thống tốt, tiêu biểu là công cụ “Time Traveling Debugger” trong ngôn ngữ Elm đƣợc đề cập ở phần 2.6 của luận văn.  React to users: Phản ứng với các tƣơng tác ngƣời dùng có nghĩa là xây dựng một ứng dụng có thể đáp ứng nhanh chóng với tất cả các tác động bên ngoài vào. Tính chất này đƣợc xây dựng trên một kiến trúc tổng thể của cả ba yếu tố hƣớng sự kiện, khả năng mở rộng hệ thống và khả năng phục hồi lỗi. Với các đặc điểm của lập trình phản ứng ta có thể xây dựng một hệ thống phản ứng linh hoạt hơn, giảm tính lỏng lẻo (loosely-coupled) và khả năng mở rộng và hƣớng sự kiện. Điều này làm cho chúng dễ dàng hơn để phát triển và thay đổi 17 chƣơng trình. Hệ thống phản ứng là đáp ứng tất cả tính năng trên đem lại cho ngƣời sử dụng tính phản hồi tƣơng tác hiệu quả. Sau đây là các tính chất nổi bật của một hệ thống phản ứng: [14] Responsive (reactor user): Hệ thống phản hồi một cách kịp thời nếu có thể. Phản hồi của hệ thống là tập trung vào việc cung cấp thời gian đáp ứng nhanh chóng và phù hợp, đáp ứng đƣợc với các sự kiện ngƣời dùng tác động vào với một giới hạn thời gian đƣợc ấn định. Resilient (reactor failure): Khả năng tìm và phục hồi lỗi trong hệ thống một cách nhanh chóng. Các lỗi thƣờng đƣợc chứa trong mỗi thành phần do đó khi xử lý và phục hồi thƣờng không ảnh hƣởng tới toàn bộ hệ thống. Saclable (reactor load): Hệ thống có khả năng mở rộng và đáp ứng khối lƣợng công việc khác nhau. Hệ thống phản ứng có thể phản ứng với những thay đổi dựa vào tỷ lệ đầu vào. Message Driven (reactor events): Hệ thống phản ứng dựa vào việc truyền tải thông điệp không đồng bộ để thiết lập một ranh giới giữa các dòng dữ liệu đảm bảo giảm tính lỏng lẻo, việc cách ly, vị trí minh bạch và cung cấp các biện pháp xử lý lỗi của thông điệp. Làm rõ ràng thông điệp truyền đi cho phép lƣu trữ trạng thái và kiểm soát dòng chảy một cách mềm dẻo bằng cách sắp xếp, giám sát hàng đợi tin nhắn trong hệ thống và gọi lại khi cần thiết. Hình 1.2: Sơ đồ các đặc điểm của lập trình phản ứng 18 1.4 Lập trình hàm phản ứng Lập trình hàm phản ứng (Functional Reactive Programming) là mô hình lập trình hàm làm việc với các giá trị thay đổi. FRP tính toán lại với các giá trị thay đổi khi giá trị thời gian thay đổi. Giá trị thời gian khác nhau đƣợc gọi là tín hiệu (signal). Tín hiệu có thể đại diện cho các giá trị thay đổi. Ví dụ xem xét vị trí trỏ chuột khi chuột di chuyển giá trị của Mouse.position thay đổi tự động. Tín hiệu có thể đƣợc chuyển đổi và kết hợp. Các khái niệm chính của lập trình hàm phản ứng là các tín hiệu hoặc các hành vi là giá trị tại các thời điểm và các sự kiện kết nối các giá trị thay thế hoặc giá trị tại thời điểm đó. Sự kiện bao gồm một chuỗi các giá trị rời rạc theo thời gian nhƣ nhấp chuột, gõ phím hoặc từ một kết nối web server (websocket) tạo ra. Khái niệm về sự kiện này thƣờng đƣợc biểu diễn nhƣ một dòng. Ở giữa các giá trị rời rạc, sự kiện sẽ không có giá trị nào đƣợc thiết lập. Khi một sự kiện xảy ra tại một thời gian thì giá trị nhất định đƣợc thiết lập. Chúng ta cùng xem xét 3 mô hình của lập trình hàm ứng: Classical FRP; Real-time FRP & Event-Driven FRP; Và Arrowized FRP. 1.4.1 Classical FRP Lập trình hàm phản ứng ban đầu đƣợc xây dựng bởi (Paul Hudak & Conal Elliott, 1997) trên cuốn sách của họ “Functional Animation Reactive” [9]. Việc thực hiện chúng đƣợc nhúng vào ngôn ngữ Haskell, một ngôn ngữ lập trình hàm và dễ dàng đƣợc mở rộng. Công thức ban đầu của lập trình hàm phản ứng cái mà đƣợc gọi là Classical FRP đƣợc giới thiệu với 2 kiểu giá trị mới: Các hành vi (Behaviors) và các sự kiện (Events). Các hành vi thì luôn liên tục và giá trị thay đổi theo thời gian. Điều này đƣợc thể hiện khi một hàm ở một thời điểm sẽ có một giá trị. Behavior α = Time -> α 19 Các hàm chuyển động theo thời gian cũng tƣơng đƣơng nhƣ các phƣơng trình chuyển động trong vật lý học Newton. Ở thời điểm t hành vi có giá trị v và thực hiện các nhiệm vụ phổ biến nhƣ mô hình hóa các hiện tƣợng vật lý: Tín hiệu vị trí, vận tốc, gia tốc … Các sự kiện đại diện cho một chuỗi các sự kiện rời rạc gắn với một danh sách các giá trị tại mỗi thời điểm. Các giá trị theo thời gian luôn liên tục xuất hiện ở hầu hết các công việc tiếp theo. Event α = [(Time, α )] Fran (functional reactive animation) thừa hƣởng khá nhiều từ ngôn ngữ chính của nó Haskell. Trong lập trình hàm phản ứng giá trị hành vi đƣợc kiểm tra thƣờng xuyên vì vậy một tích lũy tính toán sẽ diễn ra trong một thời gian dài và điều này sẽ tiếp tục dẫn đến việc thiếu bộ nhớ (space leak). Khi kiểm tra toàn bộ việc tích lũy tính toán phải đƣợc đánh giá cùng một lúc sẽ gây ra một sự chậm trễ về thời gian (time leak) hay kết quả tính toán trong một thời gian dài. [6] Ngoài vấn đề bộ nhớ và thời gian tính toán classical FRP cho phép định nghĩa các hành vi phụ thuộc vào quá khứ, hiện tại và giá trị tƣơng lai. Tức là các chƣơng trình tạo giá trị mới từ các giá trị cũ. Việc dựa trên những giá trị quá khứ có thể tăng bộ nhớ cái mà chƣơng trình bắt buộc nhớ các giá trị trong quá khứ của hành vi hoặc sự kiện. Có nghĩa là sử dụng bộ nhớ tăng tỷ lệ thuận với thời gian mà chƣơng trình chạy. 1.4.2 Real-time FRP & Event-Driven FRP Real-time FRP đã đƣợc giới thiệu bởi Paul Hudak và những ngƣời khác tại Yale trong năm 2001. Mục đích là giải quyết những thiếu sót của FRP classical. Tạo ra một sự tƣơng đồng giữa các hành vi và các sự kiện. [6] Event α Behavior or (Maybe α) Maybe α là một kiểu dữ liệu đƣợc trừu tƣợng hóa tức là nếu một sự kiện xảy ra thì dữ liệu đầu vào sẽ thay đổi luồng dữ liệu trong chƣơng trình hoặc nếu 20