Что такое функциональное программирование?

в 6:43, , рубрики: Анализ и проектирование систем, Программирование, проектирование, Совершенный код, функциональное программирование

Эта статья является переводом материала «What is functional programming?».

В этой статье Владимир Хориков попытается ответить на вопрос: что такое функциональное программирование?

Функциональное программирование

Итак, что такое функциональное программирование? Этот термин возникает довольно часто, и каждый автор, пишущий о нем, дает собственное объяснение. На взгляд автора оригинала, самым простым и в то же время точным определением является следующее: функциональное программирование - это программирование с математическими функциями.

Математические функции не являются методами в программном смысле. Хотя мы иногда используем слова «метод» и «функция» как синонимы, с точки зрения функционального программирования это разные понятия. Математическую функцию лучше всего рассматривать как канал (pipe), преобразующий любое значение, которое мы передаем, в другое значение:

Что такое функциональное программирование? - 1

Вот и все. Математическая функция не оставляет во внешнем мире никаких следов своего существования. Она делает только одно: находит соответствующий объект для каждого объекта, который мы ему скармливаем.

Для того чтобы метод стал математической функцией, он должен соответствовать двум требованиям. Прежде всего, он должен быть ссылочно прозрачным (referentially transparent). Ссылочно прозрачная функция всегда дает один и тот же результат, если вы предоставляете ей одни и те же аргументы. Это означает, что такая функция должна работать только со значениями, которые мы передаем, она не должна ссылаться на глобальное состояние.

Вот пример:

public long TicksElapsedFrom(int year)
{
    DateTime now = DateTime.Now;
    DateTime then = new DateTime(year, 1, 1);
 
    return (now - then).Ticks;
}

Этот метод не является ссылочно прозрачным, потому что он возвращает разные результаты, даже если мы передаем в него один и тот же год. Причина здесь в том, что он ссылается на глобальное свойство DatetTime.Now.

Ссылочно прозрачной альтернативой этому методу может быть (Эта версия работает только с переданными параметрами):

public long TicksElapsedFrom(int year, DateTime now)
{
    DateTime then = new DateTime(year, 1, 1);
 
    return (now - then).Ticks;
}

Во-вторых, сигнатура математической функции должна передавать всю информацию о возможных входных значениях, которые она принимает, и о возможных результатах, которые она может дать. Можно называть эту черту честность сигнатуры метода (method signature honesty).

Посмотрите на этот пример кода:

public int Divide(int x, int y)
{
    return x / y;
}

Метод Divide, несмотря на то, что он ссылочно прозрачный, не является математической функцией. В его сигнатуре указано, что он принимает любые два целых числа и возвращает другое целое число. Но что произойдет, если мы передадим ему 1 и 0 в качестве входных параметров?

Что такое функциональное программирование? - 2

Вместо того, чтобы вернуть целое число, как мы ожидали, он вызовет исключение «Divide By Zero». Это означает, что сигнатура метода не передает достаточно информации о результате операции. Он обманывает вызывающего, делая вид, что может обрабатывать любые два параметра целочисленного типа, тогда как на практике он имеет особый случай, который не может быть обработан.

Чтобы преобразовать метод в математическую функцию, нам нужно изменить тип параметра "y", например:

public static int Divide(int x, NonZeroInteger y)
{
    return x / y.Value;
}

Здесь NonZeroInteger - это пользовательский тип, который может содержать любое целое число, кроме нуля. Таким образом, мы сделали метод честным, поскольку теперь он не ведет себя неожиданно для любых значений из входного диапазона. Другой вариант - изменить его возвращаемый тип:

public static int ? Divide(int x, int y)
{
    if (y == 0)
        return null;
 
    return x / y;
}

Эта версия также честна, поскольку теперь не гарантирует, что она вернет целое число для любой возможной комбинации входных значений.

Несмотря на простоту определения функционального программирования, оно включает в себя множество приемов, которые многим программистам могут показаться новыми. Посмотрим, что они из себя представляют.

Побочные эффекты (Side effects)

Первая такая практика - максимально избегать побочных эффектов за счет использования иммутабельности по всей базе кода. Этот метод важен, потому что акт изменения состояния противоречит функциональным принципам.

Сигнатура метода с побочным эффектом не передает достаточно информации о фактическом результате операции. Чтобы проверить свои предположения относительно кода, который вы пишете, вам нужно не только взглянуть на саму сигнатуру метода, но также необходимо перейти к деталям его реализации и посмотреть, оставляет ли этот метод какие-либо побочные эффекты, которых вы не ожидали:

Что такое функциональное программирование? - 3

В целом, код со структурами данных, которые меняются со временем, сложнее отлаживать и более подвержен ошибкам. Это создает еще больше проблем в многопоточных приложениях, где у вас могут возникнуть всевозможные неприятные условия гонки.

Когда вы работаете только с иммутабельными данными, вы заставляете себя обнаруживать скрытые побочные эффекты, указывая их в сигнатуре метода и тем самым делая его честным. Это делает код более читабельным, потому что вам не нужно останавливаться на деталях реализации методов, чтобы понять ход выполнения программы. С иммутабельными классами вы можете просто взглянуть на сигнатуру метода и сразу же получить хорошее представление о том, что происходит, без особых усилий.

Исключения

Исключения - еще один источник нечестности для вашей кодовой базы. Методы, которые используют исключения для управления потоком программы, не являются математическими функциями, потому что, как и побочные эффекты, исключения скрывают фактический результат операции.

Более того, исключения имеют семантику goto, что означает, что они позволяют легко переходить из любой точки вашей программы в блок catch. На самом деле, исключения работают еще хуже, потому что оператор goto не позволяет выходить за пределы определенного метода, тогда как с исключениями вы можете легко пересекать несколько уровней в своей базе кода.

Примитивная одержимость (Primitive Obsession)

В то время как побочные эффекты и исключения делают ваши методы нечестными в отношении их результатов, примитивная одержимость вводит читателя в заблуждение относительно входных значений методов. Вот пример:

public class User
{
    public string Email { get; private set; }
 
    public User(string email)
    {
        if (email.Length > 256)
            throw new ArgumentException("Email is too long");
 
        if (!email.Contains("@"))
            throw new ArgumentException("Email is invalid");
 
        Email = email;
    }
}
 
public class UserFactory
{
    public User CreateUser(string email)
    {
        return new User(email);
    }
}

Что нам говорит сигнатура метода CreateUser? Она говорит, что для любой входной строки он возвращает экземпляр User. Однако на практике он принимает только строки, отформатированные определенным образом, и выдает исключения, если это не так. Следовательно, этот метод нечестен, поскольку не передает достаточно информации о типах строк, с которыми работает.

По сути, это та же проблема, которую вы видели с методом Divide:

public int Divide(int x, int y)
{
    return x / y;
}

Тип параметра для электронной почты, а также тип параметра для "y" являются более грубыми, чем фактическая концепция, которую они представляют. Количество состояний, в которых может находиться экземпляр строкового типа, превышает количество допустимых состояний для правильно отформатированного электронного письма. Это несоответствие приводит к обману разработчика, который использует такой метод. Это заставляет программиста думать, что метод работает с примитивными строками, тогда как на самом деле эта строка представляет концепцию предметной области со своими инвариантами.

Как и в случае с методом Divide, нечестность можно исправить, введя отдельный класс Email и используя его вместо строки.

Nulls

Еще одна практика в этом списке - избегать nulls. Оказывается, использование значений NULL делает ваш код нечестным, поскольку сигнатура методов, использующих их, не сообщает всю информацию о возможном результате соответствующей операции.

Но тут, конечно, зависит от языка. Автор оригинала работает с C#, в котором до 8 версии нельзя было указывать является ли значение nullable (https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/csharp/language-reference/builtin-types/nullable-value-types). Так как оригинал статьи 2016 года, на тот момент еще не было такой возможности в C#.

Фактически, в C # все ссылочные типы действуют как контейнер для двух типов значений. Один из них является экземпляром объявленного типа, а другой - null. И нет никакого способа провести различие между ними, поскольку эта функциональность встроена в сам язык. Вы всегда должны помнить, что, объявляя переменную ссылочного типа, вы фактически объявляете переменную пользовательского двойного типа, которая может содержать либо нулевую ссылку, либо фактический экземпляр:

Что такое функциональное программирование? - 4

В некоторых случаях это именно то, что вам нужно, но иногда вы хотите просто вернуть MyClass без возможности его преобразования в null. Проблема в том, что в C # это невозможно сделать. Невозможно различить ссылочные типы, допускающие значение NULL, и ссылочные типы, не допускающие значения NULL. Это означает, что методы со ссылочными типами в своей сигнатуре по своей сути нечестны.

Эту проблему можно решить, введя тип Maybe и соглашение внутри команды о том, что всякий раз, когда вы определяете переменную, допускающую значение NULL, вы используете для этого тип Maybe.

Почему функциональное программирование?

Важный вопрос, который приходит на ум, когда вы читаете о функциональном программировании: зачем вообще беспокоиться об этом?

Одной из самых больших проблем, возникающих при разработке корпоративного программного обеспечения, является сложность. Сложность кодовой базы, над которой мы работаем, является единственным наиболее важным фактором, влияющим на такие вещи, как скорость разработки, количество ошибок и способность быстро приспосабливаться к постоянно меняющимся потребностям рынка.

Существует некий предел сложности, с которой мы можем справиться за раз. Если кодовая база проекта превышает этот предел, становится действительно трудно, а в какой-то момент даже невозможно что-либо изменить в программном обеспечении без каких-либо неожиданных побочных эффектов.

Применение принципов функционального программирования помогает снизить сложность кода. Оказывается, программирование с использованием математических функций значительно упрощает нашу работу. Благодаря двум характеристикам, которыми они обладают - честности сигнатуры метода и ссылочной прозрачности - мы можем гораздо проще понимать и рассуждать о таком коде.

Каждый метод в нашей кодовой базе - если он написан как математическая функция - можно рассматривать отдельно от других. Когда мы уверены, что наши методы не влияют на глобальное состояние или не работают с исключением, мы можем рассматривать их как строительные блоки и компоновать их так, как мы хотим. Это, в свою очередь, открывает большие возможности для создания сложной функциональности, которую создать ненамного сложнее, чем части, из которых она состоит.

Имея честную сигнатуру метода, нам не нужно останавливаться на деталях реализации метода или обращаться к документации, чтобы узнать, есть ли что-то еще, что нам нужно учесть перед его использованием. Сама сигнатура сообщает нам, что может случиться после того, как мы вызовем такой метод. Модульное тестирование также становится намного проще. Все сводится к паре строк, в которых вы просто указываете входное значение и проверяете результат. Нет необходимости создавать сложные тестовые двойники, такие как mocks, и поддерживать их в дальнейшем.

Резюме

Функциональное программирование - это программирование с использованием математических функций. Для преобразования методов в математические функции нам нужно сделать их сигнатуры честными в том смысле, что они должны полностью отражать все возможные входные данные и результаты, и нам также необходимо убедиться, что метод работает только с теми значениями, которые мы передаем, и ничего больше.

Практики, которые помогают преобразовать методы в математические функции:

  • Иммутабельность.

  • Избегать исключения для управления потоком программы.

  • Избавляться от примитивной одержимости.

  • Делать nulls явными.

Автор: Аркадий

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js