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 (рассматривается в этой статье)
4. Каррирование
5. Чистые функции
6. Функции первого класса

Что такое функтор?

Функтор (functor) это:

• обертка над значением,
• предоставляет интерфейс для преобразование (map),
• подчиняется законам функтора (поговорим о них позже).

Примеры функторов

• Массив (Array),
• Промис (Promise).

Почему массив - функтор?

Вспомним определение функтора:

• обертка над списком значений,
• предоставляет интерфейс для преобразования - метод map,
• подчиняется законам функтора.

[1, 2, 3]      // обернутое значение
  .map(        // интерфейс для преобразования значения
    x => x * 2
  )

Почему промис - функтор?

Промис это:

• обертка над любым значением из JavaSctipt типов,
• предоставляет интерфейс для преобразования - метод then,
• подчиняется законам функтора.

const promise = new Promise((resolve, reject) => {
  resolve(
    { data: "value" } // обернутое значение, в данном случае объект
  )
});
 
promise
  .then(              // интерфейс для преобразования значения
    response => console.log(response)
  );

Что объединяет массив (или промис) и функтор?

Функтор - это паттерн проектирования, а Array и Promise - типы данных, которые основаны на этом паттерне.

Почему мы говорим, что массив и промис - функторы?

Чтобы понять, что функторы ближе чем кажутся. Массив и промис легко понять, при это они являются мощной концепцией. Мы используем их ежедневно, даже не подозревая об их сущности.

Где использовать функторы?

Немного поговорив о функторах и связав их с нашим повседневным использованием, было бы разумно рассмотреть их подробнее. Чтобы лучше понять идею функтора, создадим свои собственные функторы. Для начала рассмотрим такую задачу. Предположим, есть следующий кусочек данных.

{
  products: [
    {
      name: "All about JavaScript",
      type: "book",
      price: 22,
      discount: 20
    }
  ]
}

Постановка задачи

Найти финальную цену первого товара с учетом скидки. Если по какой-либо причине будут переданы неправильные данные, вывести строку "No data".

Шаги алгоритма

1. Найти первый продукт со скидкой,
2. Применить скидку,
3. Продолжать проверку данных на валидность. Если данные не валидны - вернуть "No data".

Традиционное решение

const isProductWithDiscount = product => {
  return !isNaN(product.discount)
}
const findFirstDiscounted = products => {
  products.find(isProductWithDiscount)
}
 
const calcPriceAfterDiscount = product => {
  return product.price - product.discount
}
 
const findFinalPrice = (data, fallbackValue) => {
  if(!data || !data.products) return fallbackValue
 
  const discountedProduct = findFirstDiscounted(data.products)
  if(!discountedProduct) return fallbackValue
 
  return calcPriceAfterDiscount(discountedProduct)
}
 
findFinalPrice(data, "No data")

Комментарии к традиционному решению

Достоинства:

• Атомарные логические единицы (isProductWithDiscount, findFirstDiscounted и calcPriceAfterDiscount),
• Логику защищена от невалидных данных.

Что можно улучшить:

• Cлишком много защитных проверок. (Защитное программирование (Defensive programming) является обязательным в любом отказоустойчивом программном обеспечении. Однако, в нашем коде 50% тела функции findFinalPrice — проверка на валидность данных. Это слишком много).
• fallbackValue почти везде.

Почему нас волнуют эти улучшения?

Потому что данный код заставляет слишком в него вникать. Это негативно влияет на DX (Developer Experience) - уровень удовлетворенности разработчика от работы с кодом. Проанализируем код, чтобы прийти к лучшему решению. Части, которые мы стремимся улучшить, формируют паттерны (защита (defence) и откат (fallback)). Хорошо то, что эти части на самом деле цельные и атомарные. Мы должны иметь возможность абстрагировать этот паттерн в оболочку, которая могла бы обрабатывать эти крайние случаи вместо нас. Обертка позаботится о крайних случаях, а нам останется позаботиться только о бизнес-логике.

Функтор Maybe

Как мы обсуждали ранее, нам нужна только обертка, которая абстрагируется от обработки данных. Итак, роль функтора Maybe состоит в том, чтобы обернуть наши данные (потенциально невалидные данные) и обработать для нас крайние случаи.

Имплементация функтора Maybe

function Maybe(value) {
  const isNothing = () => {
    return value === null || value === undefined
  }
  
  const map = (fn) => {
    return isNothing() ? Maybe() : Maybe(fn(value))
  }
 
  const getValueOrFallback = {
    return (fallbackValue) => isNothing() ? fallbackValue : value;
  }
 
  return {
    map,
    getValueOrFallback,
  };
}

Пояснения к имплементации

• isNothing проверяет валидно ли обернутое в функтор Maybe значение
• map - интерфейс для преобразования обернутого значения, с помощью которого мы применяем функции с бизнес логикой к обернутому значению. map возвращает новое значение в другом экземпляре Maybe. Таким образом, мы можем сделать цепочку вызовов map - .map().map().map....
• getValueOrFallback возвращает обернутое значение или запасное значение fallbackValue.

Как использовать функтор Maybe?

С валидными данными:

Maybe('Hello')
  .map(x => x.substring(1))
  .getValueOrFallback('fallback') // 'ello'

С невалидными данными:

Maybe(null)
  .map(x => x.substring(1))       // функция не будет запущена
  .getValueOrFallback('fallback') // 'fallback'

Функтор Maybe обработал крайние случаи вместо нас и не запустил функцию с невалидными данными. Нам нужно лишь позаботиться о бизнес логике. Таким образом, мы внедрили улучшение, о котором говорили в традиционном решении. Внедрим это решение в задачу.

Решение задачи с функтором Maybe

const isProductWithDiscount = product => {
  return !isNaN(product.discount)
}
const findFirstDiscounted = products => {
  return products.find(isProductWithDiscount)
}
const calcPriceAfterDiscount = product => {
  return product.price - product.discount
}
 
Maybe(data)
 .map((x) => x.products)
 .map(findFirstDiscounted)
 .map(calcPriceAfterDiscount)
 .getValueOrFallback("No data")

Комментарии к решению с функтором Maybe

Мы смогли улучшить традиционное решение при помощи функтора Maybe:

• мы не защищаем код сами, вместо нас это делает функтор Maybe,
• мы указали fallbackValue только один раз.

Как функтор Maybe соответствует определению функтора? Функтор Maybe это:

1. обертка над любым значением из JavaScript типов,
2. предоставляет интерфейс для преобразования - метод map,
3. подчиняется законам функтора.

Законы функторов

Закон идентичности (Identity law)

Если при выполнении операции преобразования, значения в функторе преобразовываются сами на себя, результатом будет немодифицированный функтор.

const m1 = Maybe(value)
const m2 = Maybe(value).map(v => v)
// m1 и m2 эквивалентны

Закон композиции (Composition law)

Если две последовательные операции преобразования выполняются одна за другой с использованием двух функций, результат должен быть таким же, как и при одной операции отображения с одной функцией, что эквивалентно применению первой функции к результату второй.

const m1 = Maybe(value).map(v => f(g(v)))
const m2 = Maybe(value).map(v => g(v)).map(v => f(v))
// m1 и m2 эквивалентны

Зачем использовать функторы?

• Абстракция над применением функции,
• Усиление композиции функций,
• Уменьшение количества защитного кода (как в функторе Maybe),
• Более чистая структура кода,
• Переменные более явно указывают на то, что мы ожидаем (что Maybe моделирует значение, которое может присутствовать, а может и не присутствовать).

Что означает Абстракция над применением функции?

То, что мы передаем функцию (т.е. x => x.products) в интерфейс преобразования (т.е. map) обертки (т.е. Maybe), и она знает, как позаботиться о себе (посредством своей внутренней реализации). Нас не интересуют детали реализации оболочки, которые она содержит (детали реализации скрыты), и тем не менее мы знаем, как использовать обертку (Array или Promise), используя их интерфейсы преобразования (map). И это на самом деле крайне важно в мире программирования. Это снижает планку того, как много мы, как программисты, должны понимать, чтобы иметь возможность что-то сделать. Функторы могут быть реализованы на любом языке, поддерживающем функции высшего порядка (а таких в наши дни большинство).

Почему функторы не используются повсеместно?

Просто потому, что мы к ним не привыкли. До .map (и .then) мы мутировали массивы или перебирали их значения вручную. Но как только мы обнаружили .map, мы начали адаптировать его в качестве нового инструмента преобразования. Я надеюсь, что, поняв ценность функторов, мы начнем чаще внедрять их в наши ежедневные задачи как привычный инструмент. Функтор Maybe - лишь пример функтора. Существует множество функторов, которые выполняет различные задачи. В этой статье мы рассмотрели самый простой из них, чтобы понять саму идею функторов.

Итоги

Функтор как паттерн проектирования - это простой, но очень мощный паттерн. Мы используем его ежедневно в различных типах данных, не догадываясь об этом. Было бы здорово, если мы сможем распознавать и ценить функторы немного больше и выделять им больше места в кодовой базе, потому что они делают код чище и дают нам больше возможностей.