Что такое функтор? Функциональное программирование

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.

Это серия статей о функциональном программировании:

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

Парадигмы программирования

Парадигма программирования — это стиль или "способ" программирования. Поэтому некоторые языки заставляют нас писать в определенной парадигме. Другие языки оставляют варианты открытыми для программиста, где каждая парадигма следует набору понятий. За всю историю компьютерного программирования инженеры разработали разные языки. Каждый язык основывался на одной или нескольких парадигмах. Эти парадигмы принадлежат к одной из следующих двух основных категорий:

1. Императивная парадигма

В императивных языках программирования поток управления является явным, где программист инструктирует программу, как изменить ее состояние. В императивную парадигму также включается:

• Структурная парадигма
• Объектно-ориентированная парадигма

2. Декларативная парадигма

В декларативной парадигме поток управления является неявным, когда программист указывает программе, что следует делать, не указывая, как это должно быть сделано. В декларативную парадигму также включается:

• Функциональная парадигма
• Логическая парадигма
• Математическая парадигма
• Реактивная парадигма

Большинство языков принадлежат либо к императивной, либо к декларативной парадигме, где каждая парадигма имеет набор понятий, которым необходимо следовать. Рассмотрим подробнее каждую парадигму.

Императивная парадигма

Императивная парадигма немного изменилась из-за структурной парадигмы, но у нее все еще есть проблемы:

• Указание программе, как что-то делать (поток управления является явным)
• Общее состояние

Чтобы понять эти проблемы рассмотрим примеры.

Проблема 1: Указание программе, как что-то делать (поток управления является явным)

Кейс: представьте себе 1000 сотрудников с руководителем, который ведет их по проекту. Руководитель начинает рассказывать 1000 сотрудников, как делать вещи одну за другой. Как вы думаете, насколько это будет плохо? Я почти уверен, что вы видите, что этот стиль управления на микроуровне имеет большие риски, ловушки и даже не сработает. Решение: Сгруппировать людей по зонам ответственности и делегировать в каждую группу руководителя группы. Руководитель каждой группы должен знать, как делать что-то для достижении цели. Это значительно уменьшит сложность, узкие места и станет намного проще в управлении. В этой аналогии

• Руководитель = Программист
• Руководители групп = Функции более высокого уровня
• Сотрудники в каждой группе = Строки кода

Вывод: когда мы применяем организационную структуру более высокого порядка на программном уровне, наша жизнь становится проще.

Проблема 2: Общее состояние

Кейс: Представьте отца, у которого двое детей. У них есть общий банковский счет. Каждый месяц отец кладет на этот счет 1000 долларов. Оба ребенка не знают, что учетная запись используется совместно. Таким образом, они оба думают, что у каждого есть 1000 долларов, которые он может потратить на себя. В конце месяца оказывается, что на этом счету осталось -1000 долларов. Решение: У каждого ребенка должна быть отдельная учетная запись и указанная ежемесячная сумма. В этой аналогии:

• Дети = Функции
• Общий банковский счет = общее состояние

Вывод: Когда ваши функции имеют одно и то же состояние, они используют его неосознанно. Это испортит состояние вашей программы даже с двумя функциями. Так что всегда лучше, чтобы каждая функция имела собственное независимое состояние для использования.

Пример императивной парадигмы

Давайте посмотрим, как функция для суммирования может быть реализована в императивной парадигме.

const sum = (list) => {
  let result = 0
  for (let i = 0; i < list.length; i++) {
    result += list[i]
  }
  return result
}

Почему этот код считается императивным?

1. Указание программе, как что-то делать (поток управления является явным): мы явно сообщаем циклу for, как работать. Также мы обращаемся к каждому элементу в массиве явно.
2. Совместное состояние: результирующая переменная является общим состоянием, изменяющимся на каждой итерации (с общим состоянием в более крупных решениях будет гораздо сложнее справиться).

Декларативная парадигма

Декларативная парадигма — это когда программист указывает программе, что должно быть сделано, не указывая, как. В декларативной парадигме мы пишем функции, которые:

• Описывают, что должна выполнять программа, а не как (неявный поток управления).
• Не производят побочных эффектов (о которых мы поговорим позже).

Пример декларативной парадигмы

Мы увидели, как функция sum может быть реализована в императивной парадигме. Давайте посмотрим, как ее можно реализовать декларативно.

const add = (a, b) => a + b
const sum = (list) => list.reduce(add)

Похоже на магию? Но почему это считается декларативным?

• Описано, что программа должна выполнять, а не как (неявный поток управления): нет явного итератора, нет явного указания циклу, как работать или как получить доступ к элементам. Это было достигнуто с помощью метода reduce.
• Не производит побочных эффектов: общее состояние — это форма побочных эффектов, которая была полностью устранена с помощью метода reduce и функции add.

Еще одно сравнение

Что, если мы хотим суммировать только четные числа? Разберем эту задачу на примерах в разных парадигмах.

Императивная реализация

const evenSum = (list) => {
  let result = 0
  for (let i = 0; i < list.length; i++){
    if(list[i] % 2 === 0) {
      result += list[i]
    }
  }
  return result
}

Декларативная реализация

const evenSum = (list) => {    
  const isEven = (n) => n % 2
  const add = (a, b) => a + b
  return list.filter(isEven).reduce(add)
}

Как видим, если мы хотим сравнить обе парадигмы (императивную и декларативную), то декларативная парадигма (в нашем случае Функциональная парадигма) больше похожа на шестеренки. Вы разрабатываете свои шестеренки как отдельные единицы, затем добавляете их туда, где они вам нужны. Но в императивной парадигме это больше похоже на тесто. Почти все смешано и слито в один и тот же кусок код. В целом декларативная парадигма — это:

• Предсказуемость
• Тестируемость
• Многоразовость
• Настраиваемость
• Кэшируемость
• Поддерживаемость
• Компонуемость

Некоторые из этих моментов не обязательно имеют смысл в контексте примера с функцией sum, но будут иметь смысл в следующих статьях о функциональном программировании.

Эволюция парадигм

Итак, у нас есть 2 основные парадигмы: императивная и декларативная, каждая из которых имеет подпарадигмы. Теперь поговорим подробнее о структурной, объектно-ориентированной и функциональной парадигмах. с эволюционной точки зрения. Каждая парадигма ограничивала способ программирования, вводя что-то новое.

• Структурная парадигма: ограниченное использование goto и «потока передачи управления» за счет введения в наш код такой структуры, как if/else/then/loop и других. Другими словами, он ограничивает поток передачи управления.
• Объектно-ориентированная парадигма: ограничение полиморфизма с использованием указателей на функции за счет введения полиморфизма с использованием наследования.
• Функциональная парадигма: ограничения общего состояния и побочные эффекты за счет введения иммутабельности.

Имейте в виду, что каждая парадигма может использовать одну или несколько концепций других парадигм (например, как объектно-ориентированная, так и функциональная парадигмы используют концепции структурной парадигмы).

Итоги

В реальной жизни у нас разные парадигмы с разными стилями, которые требуют разного уровня мастерства. Практика большего количества парадигм даст вам больше возможностей. У объектно-ориентированной парадигмы есть свои особенности, у функционального программирования - свои. Чем сильнее вы становитесь в этих парадигмах, тем мощнее будут ваши решения.