効果ハンドラ (effect handlers)

programming-paradigm type-theory

Algebraic Effects が「throw/try-catch の一般化」と言うとき、その一般化の正体がこれ — 例外・可変状態・generator・async・非決定性・コルーチンを、たった1つの「効果を perform → handler が(限定)継続を受け取って処理」という機構の特殊例にまとめること。Plotkin & Pretnar “Handlers of Algebraic Effects” (2009) が理論的出発点。

1つの機構が制御構造を飲み込む

ハンドラは「perform された地点までの限定継続 k を受け取る関数」。k を何回呼ぶかで、おなじみの制御構造が再現される。

制御構造	効果としての姿	handler が継続 `k` を
例外 (exception)	`raise e` を perform	呼ばない(脱出のみ)
可変状態 (state)	`get` / `put s` を perform	1回呼ぶ(状態を引数で引き回す)
generator / iterator	`yield v` を perform	1回呼ぶ(値を集めて一時停止)
async / await	`await p` を perform	1回呼ぶ(完了時に再開＝スケジューラ)
非決定性 / backtracking	`choose [a,b]` を perform	複数回呼ぶ(各選択肢で再開)
コルーチン	双方向 yield	相互に resume

鍵は「継続を何回 resume するか」

効果の性質はこの一点でほぼ決まる:

0 回(resume しない) → 例外。投げたら戻らない
1 回(one-shot) → 状態・async・generator。普通の逐次再開
複数回(multi-shot) → 非決定性・探索。同じ地点から枝分かれして何通りも再開

→ だから「async/await や generator や例外を言語が個別に組み込む」のをやめ、効果機構1つをユーザーに開放すれば全部ライブラリで書ける、というのが Koka / OCaml 5 / Eff の設計思想。

限定継続が実装基盤

handler が受け取る k は、perform 地点から最も近い handler までを切り取った限定継続(shift/reset 相当)。つまり効果ハンドラ = 「型のついた・名前のついた限定継続」とも言える。逆に限定継続があれば効果ハンドラはライブラリ実装できる。

handle (perform Op v) with
  | Op v, k -> ...      -- k = perform の続き(限定継続)。k(result) で再開
  | return x -> ...     -- 効果を投げずに終わった場合

なぜ重要か

「効果は代数的演算、ハンドラはその解釈」という見方で、副作用を副作用を第一級・合成可能・差し替え可能にする。同じプログラムに別ハンドラを与えれば、本番=実 I/O / テスト=モック / 探索=全列挙、がコード本体を変えずに切り替わる。Monad が型に副作用を閉じ込めて flatMap のネストと「色付き関数」問題を生むのに対し、効果ハンドラは直接的なコードのまま複数効果を自由に重ねられる。

押さえどころ（カード化候補）

効果ハンドラとは → perform で効果を投げ、handler が限定継続 k を受け取って処理する機構。例外・状態・generator・async・非決定性を1つの仕組みの特殊例に一般化する。
継続の resume 回数で決まる → 0回=例外、1回=状態/async/generator、複数回=非決定性/backtracking。
限定継続が基盤 → handler の k は perform 地点〜handler までの限定継続(shift/reset 相当)。効果ハンドラ ≈ 型と名前のついた限定継続。
設計思想 → async/generator/例外を言語が個別実装せず、効果機構1つをユーザーに開放(Koka/OCaml 5/Eff)。
Monad との差 → Monad は型に閉じ込め flatMap でネスト・色付き関数問題。ハンドラは直接的に書け複数効果を合成可能。