Функциональное программирование: код без проблем и ошибок

Функциональное программирование (FP) долгое время оставалось нишевым явлением. Однако теперь многие языки (Java и Python в их числе) все чаще стали перенимать его концепции. 

Самая важная задача FP — сделать код понятнее. Такой тип программирования по своей природе прекрасно подходит для машинного обучения и анализа данных.

Но это совсем не означает, что есть смысл осуществления полного перехода с объектно-ориентированного программирования на функциональное. 

Функциональное программирование VS объектно-ориентированное программирование

Функциональное программирование	Объектно-ориентированное программирование
Использование неизменяемых данных.	Использование изменяемых данных.
В функциях нет побочных эффектов.	Может иметь большое количество побочных эффектов.
Порядок выполнения функций не имеет значения.	Порядок выполнения имеет значения.
Поддержка абстракции данных и абстракции поведения.	Поддержка абстракции данных.
Для управления потоком используются вызовы функций и вызовы функций с рекурсией.	Для управления потоком используются условные операторы и циклы.
Поддержка параллелизма.	Без поддержки параллелизма.
Осуществляется в рамках декларативного программирования.	Осуществляется в рамках императивного программирования.

Смысл FP заключается в описании взаимодействий между командами и подпрограммами. Здесь не задаются последовательности этих команд, а весь код состоит из правил работы с данными. 

Функциональное программирование:

• использует неизменные данные;
• основано на математических функциях, где для выполнения вычислений используются условные выражения и рекурсия;
• не поддерживает итерации;
• делает главный акцент на вычислениях.

Чистые функции

Функциональное программирование — это способ создания программы с использованием так называемых чистых функций. 

Чистая функция — это функция, которая связывает входные значения с выходными и не содержит больше никаких сторонних вычислений. Она зависит только от собственных параметров и не зависит от контекста, не изменяет переменные, а создает новые на выходе.

Функцию можно назвать чистой, если:

• при ее выполнении не появляются побочные эффекты (скрытый ввод-вывод или неявные входы-выходы);
• она всегда отдает одно значение при одних и тех же вызываемых аргументах.

Почему чистые функции в приоритете?

• Не изменяют структуру данных.
• Имеют прозрачные ссылки, а потому могут быть заменены без изменений в поведении самой программы.
• Возможность композиции — объединения нескольких функций в одну результирующую.
• Результатом чистых функций является возвращаемое значение.

Функции первого класса и высшего порядка

Обязательное требование в функциональном программировании — использование функций первого класса и высшего порядка. 

Функции первого класса являются переменными первого класса. Эти переменные передаются функциям в виде параметров. Они сохраняются в структуре данных или могут быть возвращены из функций.

Функции высшего порядка также могут возвращать функции или принимать другие в качестве аргументов.

Например:

show_output(f)            // function show_output is declared taking argument f 

                          // which are another function

    f();                  // calling passed function


print_gfg()             // declaring another function 

    print("hello gfg");


show_output(print_gfg)  // passing function in another function

Концепция высшего порядка применяется к функциям в целом, а функции первого порядка касаются функций в языках программирования.

Часто функции высшего порядка применяются для:

• асинхронного управления потоком с помощью функций обратного вызова;
• частичного применения функции к ее аргументам с целью повторного применения;
• создания утилит, которые могут работать с различными типами данных.

Неизменяемые переменные

Функциональное программирование не предусматривает изменение переменных после инициализации. Несмотря на то, что у нас есть возможность создания новых переменных, уже существующие изменить нельзя. Такой подход помогает поддерживать состояние программы в течение всего времени ее выполнения. Установив значение вновь созданной переменной, можно быть уверенным, что ее значение уже никогда не изменится.

Без неизменяемой концепции поток данных в программе может испытывать потери, и как следствие, могут возникать ошибки.

Неизменяемость полезна для потокобезопасности кода (thread-safety).

Ссылочная прозрачность

Относительная прозрачность функций означает, что выражение может быть заменено значением без критических изменений в самой программе. Это значит, что методы всегда возвращают одно и то же значение для конкретного аргумента и не оказывают никакого иного влияния.

Ссылочная прозрачность имеет важное значение, поскольку поддается кэшированию.

Например: пусть создаваемая функция square() возвращает результат умножения числа самого на себя:

function square(n) {

  return n * n;

}

Функция является чистой, а потому для одного и того же значения на входе возвращает одно и то же значение на выходе:

square(2); // 4

square(2); // 4

square(2); // 4

// ...

Сколько бы функции не передавалось 2, она будет всегда возвращать число 4. Получается, что square(2) можно заменить 4 — это означает, что функция имеет ссылочную прозрачность.

Функциональное программирование и лямбда-исчисления

Важно отметить, что функциональное программирование основано на лямбда-исчислении. Если углубиться и понять принципы лямбда-исчисления, можно получить много интуитивных представлений о том, как может применяться на практике функциональное программирование. 

Лямбда-исчисление состоит из трех элементов:

• функции;
• переменные;
• применение функций к переменным.

Функции являются чистыми: отображения элементов набора входов на элементы набора выходов. Благодаря этому мы можем кодировать любые вычисления и создавать различные функции. 

Принципы лямбда-исчисления, формирующие функциональное программирование:

• Прохождение всех функций через процесс каррирования — выполнение функции с несколькими аргументами. Сначала — с первым аргументом, в результате чего будет возвращена новая функция с набором аргументов на один меньше. Рекурсия (повторение) будет продолжаться, пока не будут использованы все аргументы функции.
• Все функции являются анонимными, значение имеет список аргументов.

В заключение

Хотя разобраться в функциональном программировании не так уж и просто, его популярность набирает обороты.

Преимущества функционального программирования

• Простое тестирование и отладка. Это возможно благодаря чистым функциям, которые используют неизменяемые значения, принимают аргументы и осуществляют выводы. С их помощью становится намного проще разрешать проблемы, возникающие в программе.
• Ленивая оценка. Значение оценивается и сохраняется только в случае необходимости. Нет необходимости полной повторной оценки.
• Применение и реализация параллелизма. Функциональное программирование полезно для реализации параллелизма. Это возможно благодаря чистым функциям, которые не вносят никаких изменений в данные и переменные.
• Способность обрабатывать функции как значения. Значения передаются функциям в качестве параметров — от такой реализации код становится читаемым, простым и понятным.
• Простота понимания чистых функций. Чистые функции зависят только от входных данных, они не меняют значения и состояния программы. Каким бы ни был результат, они возвращают изначальное значение.
• Ориентирование на результаты, а не процесс. Важный момент в программировании — получение удобоваримого конечного результата.
• Неизменяемые данные. Это значит, что можно легко создавать структуры данных и при этом не изменять уже существующие.

Недостатки функционального программирования

• Объединение чистых функций с другими операциями ввода-вывода.
• Неизменяемость и рекурсия иногда могут приводить к снижению производительности.
• Рекурсия, в отличие от метода написание программ при помощи циклов, не слишком распространена, оттого может пугать и отталкивать.
• Многие объекты создаются в момент кодирования, потому его сложно поддерживать.

Функциональное программирование позволяет избавиться от проблем и ошибок в коде, эффективно использует лямбда-исчисление, поддерживает вложенные функции. Оно предлагает большие возможности модульности при меньшем количестве строк кода, тем самым увеличивая продуктивность разработчика.