Композиция функций. Функциональное программирование

Это серия статей о функциональном программировании:

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

Что такое композиция функций?

Композиция — это процесс объединения небольших единиц в более крупные, которые решают более крупные задачи. При композиции входные данные одной функции приходят из выходных данных предыдущей.

Как работает композиция?

Математическая запись определения композиции выглядит следующим образом:

(f ∘ g)(x) = f(g(x))

В JavaScript композиция, где f и g - это функции, будет выглядеть так:

const compose = (f, g) => (x) => f(g(x))

Функция compose является композицией функций f и g. Выходные данные функции g будут переданы на вход функции f. По другому эта запись выглядела бы следующим образом:

const compose = (f, g) => {
  return (x) => {
    const gResult = g(x)
    const fResult = f(gResult)
    return fResult
  }
}

Пример работы функции compose

Рассмотрим пример с более конкретными функциями:

const getAge = (user) => user.age
const isAgeAllowed = (age) => age >= 30

Теперь составим композицию из этих маленьких функций - getAge и isAgeAllowed:

const user = { name: 'John', age: 35 }
const isAllowedUser = compose(
 isAgeAllowed,
 getAge
)
isAllowedUser(user) // true

compose выполняет функции справа налево. Мы отправляем объект user в функцию isAgeAllowed. Далее user попадает сначала в getAge, потом результат этой функции попадает в isAgeAllowed.

compose и pipe

Функция pipe очень похожа на функцию compose. Они выполняют одну и ту же роль. Обе объединяют функции в цепочки. Однако их реализация и порядок выполнения функций отличается.

Реализация compose и pipe

compose реализован следующим образом:

const compose = (...fns) => {
  return (x) => fns.reduceRight((acc, fn) => fn(acc), x)
}

pipe реализован следующим образом:

const pipe = (...fns) => {
   return (x) => fns.reduce((acc, fn) => fn(acc), x)
}

Они отличаются лишь в применении функции reduce и reduceRight. Это влияет лишь на порядок выполнения функций.

Порядок выполнения функций

compose выполняет функции справа налево. pipe выполняет функции слева направо.

Пример

Предположим имеется 3 функции: f, g и h. При использовании compose:

compose(f, g, h)
        ←  ←  ←

Порядок выполнения функций будет таким h, g и далее f (справа налево). И выходные данные будут передаваться в следующую функцию. При использовании pipe:

pipe(f, g, h)
     →  →  →

Порядок выполнения функций будет таким f, g и далее h (слева направо). И выходные данные будут передаваться в следующую функцию.

Какую функцию использовать?

compose и pipe не сильно отличаются друг от друга. Они решают одну и ту же задачу. compose ближе к математической нотации (f ∘ g)(x) = f(g(x)). С pipe визуально легче воспринимать порядок выполнения функций.

Реальный пример

В следующих примерах будем использовать pipe. Предположим, нужно сделать простой калькулятор цен, в котором нужно применить:

• налог (30%, по умолчанию),
• сервисный сбор (10у.е., по умолчанию),
• скидку,
• купон,
• цену доставки на основе веса.

API калькулятора цен на основе этих требований будет выглядеть следующим образом:

const priceCalculator = (
  taxPercentage = 0.3,
  serviceFees = 10,
  price,
  discount,
  percentCoupon,
  weight,
  shippingPricePerKg
) => {
  // реализация
}

Реализация без композиции

const priceCalculator = (
  taxPercentage = 0.3,
  serviceFees = 10,
  price,
  discount,
  percentCoupon,
  weight,
  shippingPricePerKg
) => {
  return (
    price
     - (price * percentCoupon)
     - discount
     + (weight * shippingPricePerKg)
     + serviceFees
  ) * (1 + taxPercentage)
}

Эта функция выполняет свою задачу, но ее сложно читать, тестировать и отлаживать.

Реализация с композицией

const priceCalculator = (
  taxPercentage = 0.3,
  serviceFees = 10,
  price,
  discount,
  percentCoupon,
  weight,
  shippingPricePerKg
) => {
 const applyTax = (val) => val * (1 + taxPercentage)
 const applyServiceFees = (val) => val + serviceFees
 const applyPercentCoupon = (val) => val - val * percentCoupon
 const applyDiscount = (val) => val - discount
 const applyShippingCost = (val) => val + weight * shippingPricePerKg

 return pipe(
   applyPercentCoupon,
   applyDiscount,
   applyShippingCost,
   applyServiceFees,
   applyTax
 )(price)
}

Эта реализация выглядит более чистой, ее легко тестировать и отлаживать. Все это благодаря модульности.

Запуск примера

Запустим, передав только price. Очевидно, получим неверный результат, т.к. передали не все обязательные параметры.

priceCalculator(10) // NaN

Сначала продебажим. Для дебага pipe и compose можно добавить удобную функцию inspect. Она просто логирует в консоль входные данные и возвращает эти данные без изменений.

const inspect = (label) => (x) => {
  console.log(`${label}: ${x}`)
  return x
}

Добавим inspect в цепочку выполнения.

const priceCalculator = (
  taxPercentage = 0.3,
  serviceFees = 10,
  price,
  discount,
  percentCoupon,
  weight,
  shippingPricePerKg
) => {
  const applyTax = (val) => val * (1 + taxPercentage)
  const applyServiceFees = (val) => val + serviceFees
  const applyPercentCoupon = (val) => val - val * percentCoupon
  const applyDiscount = (val) => val - discount
  const applyShippingCost = (val) => val + weight * shippingPricePerKg

  return pipe(
    inspect('price'),
    applyPercentCoupon,
    inspect('after applyPercentCoupon'),
    applyDiscount,
    inspect('after applyDiscount'),
    applyShippingCost,
    inspect('after applyShippingCost'),
    applyServiceFees,
    inspect('after applyServiceFees'),
    applyTax
  )(price)
}

Результат будет примерно таким:

priceCalculator(10)
// price: undefined
// after applyPercentCoupon: NaN
// ...

Видим, price - undefined. Это произошло потому что price - третий аргумент, а мы передаем его первым.

Быстрый фикс

Сделаем так, чтобы функция принимала один объект:

const priceCalculator = ({
  taxPercentage = 0.3,
  serviceFees = 10,
  price,
  discount,
  percentCoupon,
  weight,
  shippingPricePerKg
}) => {
  // ...
}

Далее, используем:

priceCalculator({ price: 10 })
 
// price: 10
// after applyPercentCoupon: NaN
// ...

Все еще получаем NaN, в этот раз потому что не был передан percentCoupon и он имеет значение undefined.

Добавим для всех параметров, кроме price, значения по умолчанию.

const priceCalculator = ({
  taxPercentage = 0.3,
  serviceFees = 10,
  price,
  discount = 0,
  percentCoupon = 0,
  weight = 0,
  shippingPricePerKg = 0
}) => {
  // ...
}

Если запустить заново, получим результат:

priceCalculator({ price: 10 }) // 26

Это пример того как композиция позволяет нам тестировать и исправлять код проще и быстрее, просто проверяя области, которые вызывают подозрения. Проблема, которую мы отлаживали, была очень простой. Когда мы переходим к более масштабным модулям, все становится еще более трудным для проверки. Большие атомарные функции трудно поддерживать. Разделение функций на более мелкие упрощает отладку, тестирование, поддержку и разработку функций.

Для чего нужна композиция?

Композиция это объединение меньших модулей в более крупные. Если мы думаем оперируем модулями (что обеспечивается композицией), мы улучшаем:

• модульное мышление,
• тестируемость,
• возможность отладки,
• поддерживаемость.

Итоги

Композиция — это способ построения больших модулей из более мелких, что делает наш код более модульным. Таким образом, проще отлаживать, тестировать, поддерживать, повторно использовать и интереснее разрабатывать функции.

Это серия статей о функциональном программировании:

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

Что такое каррирование?

Каррированная функция — это функция, которая продолжает возвращать функции до тех пор, пока не будут отправлены все ее параметры.

Как работает каррирование?

Предположим, есть функция сложения add.

const add = (a, b) => a + b

Простейшая реализация каррирования — заставить функцию возвращать функцию и т. д.

const add = (a) => (b) => a + b

Эту функцию можно использовать так.

const addOne = add(1) // addOne = (b) => 1 + b

Представим, что у нас есть функция curry, которая принимает функцию и каррирует ее.

const add = curry((a, b) => a + b)

Как мы видим, curry — это функция, которая использует другую функцию для ленивой обработки параметров. Итак, теперь мы можем вызвать ее следующим образом.

const addOne = add(1) // addOne = (b) => 1 + b

Итак, сначала мы создали addOne, передав 1 в качестве первого параметра (a) каррированной функции добавления. Что привело к другой функции, которая ожидает остальные параметры, где логика добавления не будет выполняться, пока не будут предоставлены все параметры.

addOne(2) // 3

Теперь, передавая 2 (как b) в addOne выполняет логику 1 + 2.

Пояснение к функции curry

Функция curry принимает функцию и делает ее параметры ленивыми, другими словами, вы предоставляете эти параметры по мере необходимости. Так же, как addOne. Вы по-прежнему можете вызывать каррированную версию функции добавления следующим образом.

const three = add(1, 2)

Таким образом, он либо принимает аргументы по частям, либо все аргументы сразу.

Для чего нужно каррировать функции?

Каррирование делает код:

• Чище
• Уменьшает количество повторяющихся параметров и делает код более лаконичным
• Более компонуемым
• Переиспользуемым

Почему каррирование делает код лучше?

Некоторые функции принимают конфигурацию в качестве входных данных

Если у нас есть функции, которые принимают конфигурацию (начальные настройки), нам лучше их каррировать, потому что эти конфигурации, вероятно, будут повторяться снова и снова. Предположим, что у нас есть функция перевода, которая принимает локаль и текст для перевода.

const translate = (locale, text) => { /* логика перевода */ }

Использование будет выглядеть так.

translate('ru', 'Hello')
translate('ru', 'Goodbye')
translate('ru', 'How are you?')

Каждый раз, когда мы вызываем translate, мы должны указывать язык и текст. Что является избыточным для предоставления локали при каждом вызове. Но вместо этого давайте каррируем translate следующим образом.

const translate = curry(
  (locale, text) => { /* логика перевода */ }
)

const translateToRu = translate('ru')

Теперь translateToRu имеет ru в качестве locale, предоставленного каррированной функции translate, и ожидает текста. Мы можем использовать это так.

translateToRu('Hello')
translateToRu('Goodbye')
translateToRu('How are you?')

Каррирование действительно внесло улучшения, нам не нужно каждый раз указывать локаль. Вместо этого каррированная функция translateToRu содержит locale из-за каррирования. После каррирования - в этом конкретном примере код стал:

• чище
• менее многословным и менее избыточным.

Потому что мы отделили конфигурацию от фактических данных. Что очень удобно во многих случаях.

На практике

На практике у нас есть динамическая локаль (у каждого пользователя свой язык), может быть fr, en, de или что-то еще. Поэтому вместо этого лучше переименовать translateToRu в translateTo, где translateTo может быть загружен с любой локалью. Теперь у нас есть translate, который принимает locale как конфигурацию и text как данные. Благодаря тому, что translate каррирован, мы смогли отделить параметры конфигурации от данных.

Зачем отделять конфигурации от данных?

Многие компоненты и функции нуждаются в использовании некоторой функциональности (в нашем случае, translateTo), но не должны или не могут знать о части конфигурации (locale). Эти компоненты или функции имеют только часть данных (text). Таким образом, эти функции смогут использовать эту функцию без необходимости знать о части конфигурации. Таким образом, этот компонент или функция будут меньше связаны с системой, что сделает компоненты более компонуемыми и более удобными в сопровождении.

Когда применять каррирование?

Когда мы знаем, что в функции есть конфигурация и есть данные, лучше их каррировать. Каррирование даст нам возможность их разделить. И это признак зрелого дизайна системы. Потому что одним из основных столпов качества кода является разделение задач. Даже если функции нужны все параметры для правильной работы, мы все равно лучше знаем, когда передавать параметры и на каком уровне приложения.

Связь между замыканием и каррированием

Замыкание - это функция, возвращаемая «родительской» функцией и имеющая доступ к внутреннему состоянию родительской функции. Каррирование всегда приводит к замыканию. Потому что каждая функция, возвращаемая каррированной функцией, будет снабжена внутренним состоянием родителей.

Примеры каррирования

Перед тем как продолжить

Добавим некоторые утилиты, чтобы мы могли перейти к примерам. Прототип массива имеет такие утилиты, как filter, map и другие. Но они не поддерживают каррирование, потому что используют запись через точку (.). Итак, давайте конвертируем их в каррируемый формат.

const filter = (fn, list) => list.filter(fn)
const map = (fn, list) => list.map(fn)
const startsWith = (starter, s) => s.startsWith(starter)

Теперь мы можем использовать их так.

const lessThan21 = user => user.age < 21

// Вместо такого использования...
const filteredUsers = users.filter(lessThan21 )

// ...будем использовать такое
const filteredUsers = filter(lessThan21, users)

Мы исключили запись через точку и передали обработанные данные в качестве последнего параметра. Затем мы их каррируем. Функция curry будет принимать функцию и возвращать каррированную функцию.

const filter = curry((fn, list) => list.filter(fn))
const map = curry((fn, list) => list.map(fn))
const startsWith = curry((starter, s) => s.startsWith(starter))

Пример 1

Дан список чисел, нужно увеличить все числа на 1. Вход: [1, 2, 3, 4, 5] Выход: [2, 3, 4, 5, 6] Реализация:

// каррированная функция add была определена ранее
const addOne = add(1)
const incrementNumbers = map(addOne)
const incrementedNumbers = incrementNumbers(numbers)

Пример 2

Дана строка, оставить все слова, начинающиеся с буквы c. Вход: "currying javascript function” Выход: “currying” Реализация:

const startsWithC = startsWith('c')
const filterStartsWithC = filter(startsWithC)
const filteredWords = filterStartsWithC(words)

Пример 3

Дан список диапазонов и список чисел. Создайте массив функций, которые могут фильтровать числа на основе предоставленных диапазонов.

const ranges = [
  { min: 10, max: 100 }, 
  { min: 100, max: 500 }, 
  { min: 500, max: 999 }
]
const numbers = [30, 50, 110, 200, 650, 700, 1000]
// 30 и 50 в первом диапазоне
// 110 и 200 во втором диапазоне
// 650 и 700 в третьем диапазоне
// 1000 не принадлежит ни одному диапазону

Выход: массив функций. Каждая функция может принимать числа и возвращать отфильтрованные числа, которые находятся в заданном диапазоне.

const isInRange = curry(
  (range, val) => val > range.min && val < range.max
)

const filters = ranges.map((range) => filter(isInRange(range)))

В этом примере есть двойное каррирование, filter и isInRange. filters теперь представляют собой список функций, каждая из которых ожидает numbers для обработки.

Для лучшего понимания можно развернуть каррирование и вместо этого использовать обычные функции.

const isInRange = (range, val) => val > range.min && val < range.max

const filters = ranges.map(
  (range) => (numbers) => numbers.filter(
    number => isInRange(range, number)
  )
)

Итоги

Каррирование просто делает параметры ленивыми. Когда функция продолжает возвращать функцию до тех пор, пока все ее аргументы не будут выполнены, она вычисляет и возвращает результат. Мы также увидели, как это делает наш код чище, более оаконичным, более компонуемым и даже более пригодным для повторного использования на практических примерах. И это тоже является примером принципа разделения ответственности.