Чистые функции. Функциональное программирование

Это серия статей о функциональном программировании:

1. Парадигмы программирования
2. Композиция
3. Функторы
4. Каррирование
5. Чистые функции (рассматривается в этой статье)
6. Функции первого класса

Что такое чистая функция?

Чистая функция — это функция, которая является детерминированной и не производит побочных эффектов.

Характеристики чистой функции

️1. Чистые функции должны быть детерминированными

Детерминированная функция — это функция, которая при одном и том же входе x всегда должна иметь один и тот же результат y.

Примеры недетерминированных функций

1. Math.random

const getRandom = () => Math.random()

2. ФункцииDate

const getDate = () => Date.now()

3. getUsers

const getUsers = await fetch('/users')

Функция getUsers недетерминирована, потому что пользователи могли обновиться, нет подключения к интернету, сервер может быть недоступен или что-то еще.

Комментарии к примерам

Эти примеры считаются недетерминированными, потому что для одних и тех же входных данных выходные данные будут отличаться. Детерминизм означает, что функция никогда не изменит результат при одних и тех же входных данных.

️2. Чистые функции не должна иметь побочных эффектов

Побочным эффектом может быть:

• Внешняя зависимость (доступ к внешним переменным, потокам ввода/вывода, чтение/запись файлов или выполнение HTTP-вызовов).
• Мутация (мутации локальных/внешних переменных или переданных аргументов по ссылке).

Чистые функции должны быть детерминированными и не должны давать никаких побочных эффектов. При этом невозможно иметь приложения с состоянием без побочных эффектов (запрос к базе данных, выполнение http-вызова, чтение пользовательского ввода или даже отображение результатов в пользовательском интерфейсе). Но в функциональном программировании есть еще несколько концепций/исправлений для этого.

Примеры побочных эффектов

1. Функция isLessThanMin

Функция с побочным эффектом

const min = 60
const isLessThanMin = value => value < min

Чистая функция

const isLessThanMin = (min, value) => value > min

Побочный эффект заключается во внешней зависимости. Для исправления используется внедрение зависимости (dependency injection).

2. Функция для вычисления квадратов чисел

Функция с побочным эффектом

const squares = (nums) => {
  for(let i = 0; i < nums.length; i++) {
    nums[i] **= 2;
  }
}

Чистая функция

const squares = (nums) => nums.map(num => num * num)

Побочный эффект заключается в наличии императивного кода, который выполняет мутации в исходном массиве по ссылке. Для исправления используется функциональный .map, который создает новый массив.

3. Функция updateUserAge

Функция с побочным эффектом

const updateUserAge = (user, age) => {
  user.age = age
}

Чистая функция

const updateUserAge = (user, age) => ({ ...user, age })

Побочный эффект заключается в мутации объекта user по ссылке. Нужно избегать изменения объектов по ссылке, вместо этого следует вернуть новый объект с новыми/обновленными свойствами.

4. Функция getFirst2Elements

Функция с побочным эффектом

const getFirst2Elements = (arr) => arr.splice(0, 2)

Чистая функция

const getFirst2Elements = (arr) => arr.slice(0, 2)

Побочный эффект заключается в мутировании arr, переданного по ссылке методом .splice. Для исправления используется функциональный метод .slice, который не изменяет сам массив.

Почему функции с побочными эффектами - плохо?

У функций с побочными эффектами есть несколько очевидных недостатков:

• Это делает функции тесно связанными с окружающей средой
• Увеличивает когнитивную нагрузку на разработчика
• Вызывает неочевидные изменения состояния
• Увеличивает кривую обучения кодовой базы разработчика
• Невозможность параллелизации
• Высокая непредсказуемость
• + потеря преимуществ чистых функций

Почему чистые функции - хорошо?

Можно вывести две основные категории улучшений. Улучшение опыта разработки (developer experience) и улучшение производительности приложений.

Улучшение опыта разработки

Принимая во внимание тот факт, что наши функции теперь детерминированы, независимы и самодостаточны. Улучшения будут очевидны.

• Предсказуемость: устранение внешних факторов и изменений среды сделает функции более предсказуемыми.
• Поддерживаемость: улучшается понимание кода.
• Композиция: независимость функций и связь только через ввод и вывод, что позволит нам легко составлять композицию функций.
• Тестируемость: самодостаточность и независимость функций выведут тестируемость на новый уровень.

Улучшение производительности

• Способность к кэшированию (мемоизация): детерминизм функций даст нам возможность предсказывать, каким будет вывод для определенного ввода, затем мы можем кэшировать функции на основе вводов.
• Возможность распараллеливания: поскольку функции теперь свободны от побочных эффектов и независимы, их можно легко распараллелить.

Это серия статей о функциональном программировании:

1. Парадигмы программирования
2. Композиция
3. Функторы
4. Каррирование
5. Чистые функции
6. Функции первого класса (рассматривается в этой статье)

Что такое функция первого класса?

Считается, что язык программирования поддерживает функции первого класса, если он не имеет ограничений на то, как функции могут создаваться или использоваться. Говорят, что язык программирования имеет функции первого класса, когда функции в этом языке рассматриваются как любая другая переменная. В общем, языки программирования накладывают ограничения на способы манипулирования вычислительными элементами. Говорят, что элементы с наименьшими ограничениями имеют статус первого класса. Вот некоторые из "прав и привилегий" первоклассных элементов:

• Может быть назначен обычным переменным
• Передаются в качестве аргументов функциям
• Возвращается как результат функций
• Входит в любые структуры данных

Рассмотрим примеры каждого пункта.

Особенности функций первого класса

1. Функция первого класса может быть назначена обычным переменным

const string = "Foo"
const num = 2
const bool = false
const greet  = (name) => `Hello ${name}`
// ...другие примитивные типы данных

greet('John') // Hello John

2. Функция первого класса передается в качестве аргумента в другие функции

const nums = [1, 2, 3, 4, 5]

const addOne = (n) => n + 1

const addedOne = nums.map(addOne) // [2, 3, 4, 5, 6]

Есть функция addOne, которая обрабатывается как переменная и передается в функцию .map. При этом функция addOne действительно является функцией первого класса.

3. Функция первого класса возвращается как результат функции

const makeCounter = () => {
  let count = 0
  return () => ++count
}

const counter = makeCounter()

counter() // 1
counter() // 2
counter() // 3
counter() // 4

Функция makeCounter вернула функцию, которую мы присвоили переменной счетчика. Где переменная counter теперь содержит обычную функцию.

4. Функция первого класса входит в любые другие структуры данных

const wakeUp = name => `${name}, wake up early!`
const takeShower = name => `${name}, take shower!`
const workout = name => `${name}, workout!`
const shutUp = name => `${name}, shut up!`

const morningRoutines = [
    wakeUp,
    takeShower,
    workout,
    shutUp
]

morningRoutines.forEach(routine => routine('John'))
// John, wake up early!
// John, take shower!
// John, workout!
// John, shut up!

Мы можем хранить функции в массивах и, как вы уже догадались, мы также можем хранить их в объектах и так же перебирать их.

Почему функции первого класса важны

Функциональное программирование находится под сильным влиянием математики. Функциональное программирование хотело бы, чтобы математика была включена в каждую строку кода. Хотя математика состоит только из функций и переменных, она все равно очень мощная и выразительная. Это то, что пытается сделать и функциональное программирование - решать каждую отдельную проблему с использованием функций и только функций. Когда вы в языке программирования можете обращаться с функцией так же просто, как с переменной, этот язык будет гораздо более гибким и откроет много возможностей для улучшений. Функциональное программирование сделает ваш код более предсказуемым, тестируемым, повторно используемым, настраиваемым, кэшируемым, поддерживаемым, компонуемым и читабельным.

Итак, вы спросите себя: «Хорошо, я понимаю взаимосвязь между функциональным программированием и математикой, но как первоклассные функции сделают возможными все эти преимущества?» Очень хороший вопрос. Так как функциональное программирование полностью зависит от наличия привилегий функций, функции первого класса — это краеугольный камень для всех концепций функционального программирования. Наличие в языке программирования функций первого класса позволяет иметь удивительные шаблоны, которые рассмотрим далее.

Паттерны на основе функций первого класса

1. Функции высшего порядка (Higher-order functions)

Функции считаются функциями высшего порядка, когда они принимают функции в качестве аргументов (например, большинство методов Array, .map, .filter, .reduce, .every) и/или возвращают функцию в качестве результата (точно так же, как makeCounter).

2. Замыкания

Замыкание — это функция, возвращаемая «родительской» функцией, и имеющая доступ к внутреннему состоянию родительской функции. Как и в предыдущем примере с makeCounter. Чтобы уточнить, приведем еще один пример.

/*1*/ const add = (x) => (y) => x + y
/*2*/ 
/*3*/ const add5  = add(5)  // add5  = (y) => 5 + y
/*4*/ const add10 = add(10) // add10 = (y) => 10 + y
/*5*/
/*6*/ add5(1) // 6
/*7*/ add10(1) // 11

Рассмотрим каждую строчку. Строка 1: add — это функция, которая принимает первый параметр x и возвращает анонимную функцию, которая принимает второй параметр y и возвращает x + y. Строка 3: выполнение add(5) вернет функцию со значением 5 внутри нее. Компилятор/оптимизатор поймет это именно так:

const add5 = (y) => 5 + y 

Строка 4: точно такая же, как и строка 3. Выполнение add(10) вернет функцию со значением 10 внутри нее. Компилятор/Оптимизатор поймет это именно так:

const add10 = (y) => 10 + y

Строка 6 и строка 7: это обычные вызовы функций для ранее «динамически» созданных функций add5 и add10. После понимания того, что делает каждая строка, разберемся в терминологии для add, add5 и add10:

• add — функция высшего порядка. Почему? Потому что она возвращает функцию.
• Но add5 и add10 являются замыканиями. Почему? Потому что они имеют значения 5 и 10 соответственно, заключенные (связанные) в лексической области видимости их родителя и все еще доступные им. (Вот почему, когда мы вызываем add5(1), он будет использовать уже переданное 5 для add).

3. Каррирование

Это механизм применения концепции ленивых вычислений. Его мы подробно рассматривали в отдельной части.

Итоги

Функции первого класса — это не шаблон, это особенность языка программирования. Эта возможность позволяет легко обращаться с функциями как с переменными без ограничений. Наличие этой возможности делает язык более мощным и готовым к функциональному программированию. В таком языке мы можем создавать очень мощные утилиты, такие как функции высшего порядка, замыкания, каррирование и многое другое.