Программирование базовых функций

Основные принципы программирования: функциональное программирование

Если вы такой же разработчик, как и я, то наверняка сперва изучали парадигму ООП. Первым вашим яыком были Java или C++ — или, если вам повезло, Ruby, Python или C# — поэтому вы наверняка знаете, что такое классы, объекты, экземпляры и т.д. В чём вы точно не особо разбираетесь, так это в основах той странной парадигмы, называющейся функциональным программированием, которая существенно отличается не только от ООП, но и от процедурного, прототипно-ориентированного и других видов программирования.

Функциональное программирование становится популярным — и на то есть причины. Сама парадигма не нова: Haskell, пожалуй, является самым функциональным языком, а возник он в 90-ых. Такие языки, как Erlang, Scala, Clojure также попадают под определение функциональных. Одним из основных преимуществ функционального программирования является возможность написания программ, работающих конкурентно (если вы уже забыли, что это — освежите память прочтением статьи о конкурентности), причём без ошибок — то есть взаимные блокировки и потокобезопасность вас не побеспокоят.

У функционального программирования есть много преимуществ, но возможного максимального использования ресурсов процессора благодаря конкурентному поведению — это его главный плюс. Ниже мы рассмотрим основные принципы функционального программирования.

Вступление: Все эти принципы не обязательны (многие языки следуют им не полностью). Все они теоретические и нужны для наиболее точного определения функциональной парадигмы.

1. Все функции — чистые

Это правило безусловно является основным в функциональном программировании. Все функции являются чистыми, если они удовлетворяют двум условиям:

1. Функция, вызываемая от одних и тех же аргументов, всегда возвращает одинаковое значение.
2. Во время выполнения функции не возникают побочные эффекты.

Первое правило понятно — если я вызываю функцию sum(2, 3) , то ожидаю, что результат всегда будет равен 5. Как только вы вызываете функцию rand() , или обращаетесь к переменной, не определённой в функции, чистота функции нарушается, а это в функциональном программировании недопустимо.

Второе правило — никаких побочных эффектов — является более широким по своей природе. Побочный эффект — это изменение чего-то отличного от функции, которая исполняется в текущий момент. Изменение переменной вне функции, вывод в консоль, вызов исключения, чтение данных из файла — всё это примеры побочных эффектов, которые лишают функцию чистоты. Может показаться, что это серьёзное ограничение, но подумайте ещё раз. Если вы уверены, что вызов функции не изменит ничего “снаружи”, то вы можете использовать эту функцию в любом сценарии. Это открывает дорогу конкурентному программированию и многопоточным приложениям.

2. Все функции — первого класса и высшего порядка

Эта концепция — не особенность ФП (она используется в Javascript, PHP и других языках) — но его обязательное требование. На самом деле, на Википедии есть целая статья, посвящённая функциям первого класса. Для того, чтобы функция была первоклассной, у неё должна быть возможность быть объявленной в виде переменной. Это позволяет управлять функцией как обычным типом данных и в то же время исполнять её.

Функции высшего порядка же определяются как функции, принимающие другую функцию как аргумент или возвращающие функцию. Типичными примерами таких функций являются map и filter.

3. Переменные неизменяемы

Тут всё просто. В функциональном программировании вы не можете изменить переменную после её инициализации. Вы можете создавать новые, но не можете изменять существующие — и благодаря этому вы можете быть уверены, что никакая переменная не изменится.

4. Относительная прозрачность функций

Сложно дать корректное определение относительной прозрачности. Самым точным я считаю такое: если вы можете заменить вызов функции на возвращаемое значение, и состояние при этом не изменится, то функция относительно прозрачна. Это, быть может, очевидно, но я приведу пример.

Пусть у нас есть Java-функция, которая складывает 3 и 5:

Очевидно, что любой вызов этой функции можно заменить на 8 — значит, функция относительно прозрачна. Вот пример непрозрачной функции:

Эта функция ничего не возвращает, но печатает текст, и при замене вызова функции на ничто состояние консоли будет другим — значит, функция не является относительно прозрачной.

5. Функциональное программирование основано на лямбда-исчислении

Функциональное программирование сильно опирается на математическую систему, называющуюся лямбда-исчислением. Я не математик, поэтому я не буду углубляться в детали — но я хочу обратить внимание на два ключевых принципа лямбда-исчисления, которые формируют самое понятие функционального программирования:

1. В лямбда-исчислении все функции могут быть анонимными, поскольку единственная значимая часть заголовка функции — это список аргументов.
2. При вызове все функции проходят процесс каррирования. Он заключается в следующем: если вызывается функция с несколькими аргументами, то сперва она будет выполнена лишь с первым аргументом и вернёт новую функцию, содержащую на 1 аргумент меньше, которая будет немедленно вызвана. Этот процесс рекурсивен и продолжается до тех пор, пока не будут применены все аргументы, возвращая финальный результат. Поскольку функции являются чистыми, это работает.

Как я уже говорил, лямбда-исчисление на этом не заканчивается — но мы рассмотрели лишь ключевые аспекты, связанные с ФП. Теперь, в разговоре о функциональном программировании вы сможете блеснуть словечком “лямбда-исчисление”, и все подумают, что вы шарите

Заключение

Функциональное программирование серьёзно напрягает мозги — но это очень мощный подход, и я считаю, что его популярность будет только расти.

Если вы хотите узнать о функциональном программировании побольше, то советуем вам ознакомиться с примерами использования принципов ФП в JavaScript (часть 1, часть 2), а также с циклом статей, посвящённым функциональному C#.

Итак, вы хотите научиться функциональному программированию (Часть 1)

Первый шаг к пониманию идей функционального программирования — самый важный и иногда самый сложный шаг. Но с правильным подходом никаких трудностей быть не должно.

Обучение вождению

Когда мы только учились водить машину, мы старались изо всех сил. Конечно, это выглядело легко, когда мы смотрели, как водят другие люди. Но на деле всё оказывалось сложнее.

Мы упражнялись на машине родителей и не выезжали на автострады, пока в совершенстве не осваивали улицы родного района.

После множества практических занятий и нескольких щекотливых моментов, о которых наши родители хотели бы забыть, мы выучивались вождению и наконец получали свои водительские права.

С правами в руках мы садились за руль при любом удобном случае. С каждой новой поездкой наши навыки становились всё лучше и лучше, уверенность росла. Затем наступал день, когда нам приходилось вести другую машину или наша собственная приказывала долго жить, и мы покупали новую.

Вспомните, на что был похож первый раз за рулём другой машины? Было ли это похоже на самый первый раз за рулём машины вообще? Даже не близко. В первый раз всё было таким незнакомым. Конечно, мы сидели до этого в машине, но только в роли пассажира. На этот раз мы оказывались в сидении водителя. Один на один со всеми рычагами, кнопками и педалями.

Но когда мы вели нашу вторую машину, мы просто задавали себе несколько простых вопросов по типу: куда вставляется ключ, где переключаются фары ближнего и дальнего света, как использовать поворотники и как настроить зеркала заднего вида.

После всего этого мы вели свою машину как по маслу. Но почему в этот раз всё было так просто по сравнению с первым разом?

Потому что новая машина была достаточно похожа на старую. Она имела все те базовые элементы, что нужны машине, и в большинстве случаев они находились на тех же местах, что и в старой.

Может, несколько вещей были реализованы как-то иначе и, может быть, они имели какие-то дополнительные функциональные возможности, но мы и так не использовали их во всём нашем водительском опыте. Рано или поздно мы изучали всё новые примочки. Как минимум, те, что нам реально требовались.

Что ж, процесс изучения языков программирования похож на процесс обучения вождению. Первый раз — самый сложный. Но с багажом опыта за плечами всё последующее обучение становится проще.

Когда вы начинаете изучать второй язык, вы спрашиваете себя: “Как мне создать модуль? Как реализовать поиск по массиву? Какие параметры принимает функция нахождения подстроки?”.

Вы уверены, что можете «научиться водить» на этом новом языке, потому что он напоминает вам о предыдущем языке, может, с несколькими новыми элементами, которые, надо надеяться, сделают вашу жизнь легче.

Ваш первый космический корабль

Ездили ли вы на одном автомобиле всю свою жизнь или на десятках автомобилях, представьте, что собираетесь сесть за штурвал космического корабля.

Если вы собираетесь летать на таком аппарате, то вряд ли будете надеяться, что навыки вождения на дороге как-то особенно вам помогут. Вы начнёте всё с нуля (Мы же программисты, чёрт возьми. Мы начинаем считать с нуля.).

Вы начнёте свои тренировки с расчётом, что в космосе всё работает иначе и что полёты на этой штуковине довольно отличны от вождения машины по земле.

Однако физика не изменилась. Путь, по которому вы двигаетесь, находится в пределах всё той же Вселенной.

Такой же подход должен быть к изучению функционального программирования. Вы должны учитывать, что всё будет по-другому. И то многое, что вы знали о программировании не будет перенесено в новую область.

Программировать — значит мыслить и функциональное программирование научит вас мыслить совсем по-другому настолько, что вы вероятно никогда не вернётесь назад на старый путь образа мышления.

Забудьте всё, что вы знаете

Люди любят говорить эту фразу и в ней действительно есть доля правды. Изучать функциональное программированию — значит учить всё с нуля. Не полностью, конечно, но фактически это так. В этой теме существует множество простых концепций, но вам лучше приготовиться к тому, что придётся переучивать всё.

С правильным подходом у вас будут правильные ожидания, а с правильными ожиданиями вы не захотите бросить дело, когда начнутся вещи по-тяжелее.

Есть также многие вещи, которые вы привыкли делать, как программист, но которые вы не сможете больше делать, занимаясь функциональным программированием.

Вспомните, как вы, чтобы выехать с проезжей части, давали задний ход на машине. Но на космическом корабле нет механизма реверса. Теперь вы должны подумать: “ЧТО? НЕТ ЗАДНЕГО ХОДА? КАК Я ДОЛЖЕН ВОДИТЬ БЕЗ ЗАДНЕГО ХОДА?”.

Что ж, оказывается вам не нужен реверс на космическом корабле, способном маневрировать в трёхмерном пространстве космоса. Как только вы поймёте это, вы больше не будете вспоминать о возможности заднего хода. И однажды, вы даже задумаетесь о том, насколько, на самом деле, ограничены обыкновенные машины.

Изучение функционального программирования требует времени. Запаситесь терпением.

Так что давайте покинем холодный мир императивного и медленно окунёмся в горячие источники функционального программирования.

То, что следует в этой комплексной статье, — концепции функционального программирования, которые помогут вам перед полным погружением в первый функциональный язык. Или, если вы уже сделали решительный шаг в этой сфере, эти параграфы помогут заточить понимание идей.

Пожалуйста, не спешите. С этого момента не торопитесь и находите время, чтобы понять примеры кода. Лучше будет даже сделать небольшую паузу в прочтении после этой части статьи и дать озвученным идеям “устаканиться”. Затем возвращайтесь к чтению.

Самое главное — это то, чтобы вы поняли.

Чистота

Если говорится о чистоте в функциональном программировании, значит подразумеваются чистые функции.

Чистые функции — очень простые. Они всего лишь производят операция над входными данными.

Вот пример чистой функции:

Заметьте, что функция add не прикасается к переменной z . Она не читает её значения и ничего не пишет в неё. Функция читает только x и y , свои входные данные, и возвращает результат их суммы.

Это и есть чистая функция. Если функция add имеет доступ к переменной z , она больше не может быть чистой.

Это пример другой чистой функции:

Если функция justTen чистая, она может возвращать только значение-константу. Почему?

Потому что мы не даём ей никаких входных данных. А значит, чтобы быть чистой, она не должна изменять никаких переменных, кроме тех, что были ей переданы. Единственное, что может возвратить такая функция — константа.

Пока функции, не принимающие параметров, не работают, они не очень полезны. Было бы лучше объявить justTen просто как константу.

Более полезные чистые функции принимают хотя бы один параметр.

Взгляните на этот пример:

Посмотрите, эта функция ничего не возвращает. Она складывает x и y , записывает результат в переменную z , но не возвращает её.

Эта чистая функция работает только с входными данными. Да, она выполняет сложение, но пока обратно возвращается ничего, функция бесполезна.

Все полезные чистые функции должны возвращать что-нибудь.

Давайте рассмотрим пример с первой функцией add ещё раз:

Обратите внимание, что add(1, 2) в результате всегда даёт 3 . Конечно, сюрприз не большой, но это потому что функция чистая. Если бы функция add брала значение откуда-то снаружи, вы бы никогда не могли наверняка предсказать её поведение.

Чистая функция всегда возвращает одинаковые значения для одинаковых входных данных.

Поскольку чистые функции не могут изменять внешние переменные, все эти функции являются нечистыми:

Все функции в примере имеют то, что называют побочными эффектами. Когда Вы вызываете их, они меняют файлы и таблицы баз данных, отправляют данные на сервер или обращаются к операционной системе, чтобы получить сокет. Они делают куда больше, чем просто оперирование входными данными и возвращение значений. Следовательно, вы никогда не можете предсказать, что функция возвратит.

Чистые функции не имеют побочных эффектов.

В таких языках императивного программирования как JavaScript, Java и C# побочные эффекты везде. Это делает отладку проблематичной, потому что в коде Вашей программы переменная может быть изменена где угодно. В общем, если у Вас баг из-за переменой, принявшей неверное значение в неподходящее время, где Вы будете искать ошибку? Везде? Так дело не пойдёт.

На этом месте, вы, вероятно, думаете: “КАК, ЧЁРТ ПОБЕРИ, Я СДЕЛАЮ ХОТЬ ЧТО-НИБУДЬ ОДНИМИ ТОЛЬКО ЧИСТЫМИ ФУНКЦИЯМИ?”.

В функциональном программировании вы не пишите только чистые функции.

Функциональные языки не могут исключить побочных эффектов, они могут только изолировать их. Пока у программ будут интерфейсы, взаимодействующие с реальным миром, некоторые части любой программы должны быть нечистыми. Цель — это свести к минимуму количество нечистого кода и отделить его от остальной части программы.

Неизменяемость

Вы помните, когда впервые увидели следующий код:

И тот, кто учил вас программированию, говорил забыть изученное на уроках математики. Ведь в математике x никогда не мог равняться x + 1 .

Но в императивном программировании данный код означает «взять текущее значение x , прибавить к нему 1 , положить результат обратно в x ».

Что ж, в функциональном программировании выражение x = x + 1 недопустимо. Так что Вам надо вспомнить то, что вы забыли из математики. Если так можно выразиться.

В функциональном программировании нет переменных.

Сохранённые значения всё ещё называются переменными по историческим причинам, но они являются константами, то есть x, однажды приняв какое-либо значение, сохраняет его на всю жизнь.

Не волнуйтесь, x – это обычно локальная переменная, так что её жизнь достаточно коротка. Но пока она жива, она никак не изменится.

Вот пример переменной-константы в Elm — чистом языке функционального программирования для web-разработки:

Если вы не знакомы с синтаксисом семейства языков программирования ML, позвольте мне объяснить. addOneToSum – это функция, принимающая 2 параметра: y и z .

Внутри блока let x приписывается значение 1 , то есть он равен 1 до конца своей жизни. Его жизнь кончается, когда происходит выход из функции, или, более точно, когда исполняется блок let .

Внутри блока in вычисления могут включать значения, объявленные в блоке let , а именно: x . Возвращается результат вычисления x + y + z или, в точности, возвращается 1 + y + z , так как x = 1 .

И снова я могу услышать, как вы вопрошаете: “КАК, ЧЕРТ ПОБЕРИ, Я ДОЛЖЕН СДЕЛАТЬ ХОТЬ ЧТО-НИБУДЬ БЕЗ ПЕРЕМЕННЫХ?!”.

Давайте подумаем, когда обычно мы хотим изменить переменную. Всего две основных причины, которые приходят на ум: многозначные изменения (например, изменение отдельного значения объекта или записи) и однозначные изменения (например, счётчики цикла).

Функциональное программирование решает проблему изменений значения записи, делая копию уже изменённой записи. Это происходит оперативно, без копирования всех частей записи, используя определённые структуры данных, делающие это возможным.

Функциональное программирование решает также проблему однозначных изменений переменных, в сущности, тем же путём, просто делая их копию.

Да, кстати, и всё это без циклов.

“СНАЧАЛА БЕЗ ПЕРЕМЕННЫХ, А ТЕПЕРЬ ЕЩЁ И БЕЗ ЦИКЛОВ? Я ТЕБЯ НЕНАВИЖУ. ”

Попридержите коней. Это не значит, что мы не можем использовать циклы, просто здесь нет таких характерных операторов как for , while , do , repeat и так далее.

Функциональное программирование использует рекурсию для выполнения цикла.

Вот два примера реализации цикла в JavaScript.

Обратите внимание, как рекурсия в функциональном подходе осуществляет то же самое, что и оператор цикла for , вызывая саму себя с новым параметром запуска (start + 1) и с новым счетчиком (acc + start) . Она не изменяет старых значений. Вместо этого она использует новые значения, высчитанные из старых.

К сожалению, такие примеры не очевидны в JavaScript (даже если вы потратили некоторое время на их изучение) по двум причинам. Во-первых, синтаксис JavaScript засорён, а во-вторых, вы, вероятно, не привыкли думать рекурсивно.

Пример на языке Elm читать и, следовательно, понимать легче:

Так этот код выполняется:

Вам скорее всего кажется, что циклы for гораздо легче для понимания. Хотя это спорно и скорее всего является вопросом осведомлённости, не-рекурсивные циклы подразумевают изменчивость, что по своей сути плохо.

Я не объясняю здесь преимущества использования парадигмы неизменяемости, но вы можете посмотреть параграф под названием Global Mutable State в статье Why Programmers Need Limits, если хотите изучить эту тему.

Одно очевидное преимущество — то, что если вы имеете доступ к какому-либо значению в вашей программе, это доступ только для чтения, а значит никто другой не может изменить это значение. Даже вы сами. Вследствие, никаких случайных изменений.

Также, если программа многопоточная, исполнение никакого потока не разрушит ваши планы. Поскольку значение — константа и если поток захочет изменить его, ему придётся создать новое значение из старого.

Ещё в середине девяностых я написал игровой движок для Creator Crunch и самый большой источник ошибок был связан с вопросом многопоточности. Я хотел бы знать про неизменяемость в то время. Но тогда меня больше волновала разница между двух и четырёх скоростными приводами CD-ROM при игре.

Неизменяемость делает код проще и безопаснее.

Мой мозг.

Пока что достаточно.

В последующих частях этой статьи я расскажу про функции более высокого порядка, функциональную композицию, каррирование и ещё много о чём.

Функциональное программирование

В первом случае основные принципы понятны: вы оперируете математической логикой для вывода новых фактов и состояний из уже известных. Ярким примером такого языка является Prolog.

Принцип работы с императивным программированием, наиболее распространённым, заключается в формировании инструкций, последовательных команд, которые должна выполнять машина. За примерами далеко ходить не надо, просто откройте список самых популярных языков программирования: те, что сверху — императивные.

А вот функциональное программирование – это то, что понять после классической школьной программы уроков информатики бывает сложно. Именно поэтому для общего развития и возможного будущего опыта вот наиболее полезные ресурсы по функциональному программированию.

Что это

Итак, как мы уже выяснили, императивное программирование работает со строго определёнными состояниями и инструкциями. Функциональное же основывается на взаимодействии с функциями, то есть некими процессами, описывающими связь между входными и выходными параметрами. Таким образом, в то время, как императивный язык описывает конкретное действие с известными входными параметрами, функциональный описывает некое тело взаимодействий, не опускаясь до конкретных случаев.

Функциональное программирование, несмотря на кажущуюся сложность, несёт в себе ряд преимуществ:

1. Код становится короче;
2. Понятнее;
3. Включает в себя признаки хороших императивных языков: модульность, типизация, чистота кода.

Примерами функциональных языков являются LISP (Clojure), Haskell, Scala, R. В общем-то, вы даже можете попробовать писать функциональный код на Python или Ruby, но это больше развлечение для мозгов, нежели рациональное использование возможностей языка.

Конкретнее

Логично, что по функциональному программированию, существующему уже почти 50 лет, написано множество книг и статей. Поэтому какой смысл представлять собственную версию «ФП для чайников», если всё уже в прекрасном и удобочитаемом виде давно есть в сети? Поэтому просто поделимся ссылками:

1. Прекрасная статья, имеющая исторический экскурс, яркие образы, но главное хорошие примеры. Имеется перевод.
2. Книга, которую необходимо прочитать каждому функциональщику, если можно так выразиться. Тоже есть на русском.
3. Онлайн-курс, который можно прослушать на английском языке. Будем надеяться, что-то похожее скоро появится и у нас на GeekBrains.
4. Забавное и познавательное слад-шоу на тему функционального программирования.
5. Прекрасная книга про Haskell, написанная доступным языком (русским), для тех, кто созрел для полноценного изучения первого функционального языка. Справочник прилагается.
6. Для тех, кто предпочитает начать изучение не с простого, а с хронологического начала – перевод книги Кристиана Кеннека «Les Langages Lisp». Она же «Lisp in Small Pieces».

Куда с этими знаниями идти

Что касается области применения, то функциональное программирование является незаменимым инструментом при создании искусственного интеллекта или в тех областях, где императивные языки потребляют слишком много ресурсов (например, в Data Science). Так что если решили направить свою дальнейшую карьеру в это русло, то самое время обложиться описанной выше литературой и оставить свой след в чьей-то виртуальной голове.

Если вы новичок в мире программирования, то возможно ещё не знаете, что существуют три основных парадигмы: логическое программирование, императивное и функциональное.

В первом случае основные принципы понятны: вы оперируете математической логикой для вывода новых фактов и состояний из уже известных. Ярким примером такого языка является Prolog.

Принцип работы с императивным программированием, наиболее распространённым, заключается в формировании инструкций, последовательных команд, которые должна выполнять машина. За примерами далеко ходить не надо, просто откройте список самых популярных языков программирования: те, что сверху — императивные.

А вот функциональное программирование – это то, что понять после классической школьной программы уроков информатики бывает сложно. Именно поэтому для общего развития и возможного будущего опыта вот наиболее полезные ресурсы по функциональному программированию.

Что это

Итак, как мы уже выяснили, императивное программирование работает со строго определёнными состояниями и инструкциями. Функциональное же основывается на взаимодействии с функциями, то есть некими процессами, описывающими связь между входными и выходными параметрами. Таким образом, в то время, как императивный язык описывает конкретное действие с известными входными параметрами, функциональный описывает некое тело взаимодействий, не опускаясь до конкретных случаев.

Функциональное программирование, несмотря на кажущуюся сложность, несёт в себе ряд преимуществ:

1. Код становится короче;
2. Понятнее;
3. Включает в себя признаки хороших императивных языков: модульность, типизация, чистота кода.

Примерами функциональных языков являются LISP (Clojure), Haskell, Scala, R. В общем-то, вы даже можете попробовать писать функциональный код на Python или Ruby, но это больше развлечение для мозгов, нежели рациональное использование возможностей языка.

Конкретнее

Логично, что по функциональному программированию, существующему уже почти 50 лет, написано множество книг и статей. Поэтому какой смысл представлять собственную версию «ФП для чайников», если всё уже в прекрасном и удобочитаемом виде давно есть в сети? Поэтому просто поделимся ссылками:

1. Прекрасная статья, имеющая исторический экскурс, яркие образы, но главное хорошие примеры. Имеется перевод.
2. Книга, которую необходимо прочитать каждому функциональщику, если можно так выразиться. Тоже есть на русском.
3. Онлайн-курс, который можно прослушать на английском языке. Будем надеяться, что-то похожее скоро появится и у нас на GeekBrains.
4. Забавное и познавательное слад-шоу на тему функционального программирования.
5. Прекрасная книга про Haskell, написанная доступным языком (русским), для тех, кто созрел для полноценного изучения первого функционального языка. Справочник прилагается.
6. Для тех, кто предпочитает начать изучение не с простого, а с хронологического начала – перевод книги Кристиана Кеннека «Les Langages Lisp». Она же «Lisp in Small Pieces».

Куда с этими знаниями идти

Что касается области применения, то функциональное программирование является незаменимым инструментом при создании искусственного интеллекта или в тех областях, где императивные языки потребляют слишком много ресурсов (например, в Data Science). Так что если решили направить свою дальнейшую карьеру в это русло, то самое время обложиться описанной выше литературой и оставить свой след в чьей-то виртуальной голове.

Функция (программирование)

Фу́нкция — в программировании — это поименованная часть программы, которая может вызываться из других частей программы столько раз, сколько необходимо. Функция, в отличие от процедуры, обязательно возвращает значение.

С точки зрения теории систем, функция в программировании — отдельная система (подсистема, подпрограмма), на вход которой поступают управляющие воздействия в виде значений аргументов. На выходе функция возвращает результат, который может быть как скалярной величиной, так и векторным значением (структура, индексный массив и т.п.). По ходу выполнения функции могут выполняться, также, некоторые изменения в управляемой системе, причём как обратимые, так и необратимые.

Содержание

Побочный эффект

Побочным эффектом функции называется любое изменение функцией состояния программной среды, кроме возвращаемого значения: изменение значений глобальных переменных, выделение и освобождение памяти, ввод-вывод и тому подобного. Теоретически наиболее правильным является использование функций, не имеющих побочного эффекта (то есть таких, в результате вызова которых возвращается вычисленное значение, и только). В функциональной парадигме программирования любая программа представляет собой набор вложенных вызовов функций, не вызывающих побочных эффектов. Наиболее известный язык программирования, реализующий эту парадигму — Лисп. В нём любая операция, любая конструкция языка, любое выражение, кроме константы, являются вызовами функций. Наиболее полно парадигма функционального программирования реализуется в языке Хаскелл.

Функции и процедуры

В некоторых языках программирования (например, в Паскале) функции и процедуры (подпрограммы, не возвращающие значения) чётко разграничены синтаксисом языка. В других — например, в языке Си, — процедуры являются частным случаем (подмножеством) функций, возвращающими значение типа (псевдотипа [источник не указан 757 дней] ) void — пустое значение.

Аргументы и параметры

При вызове функции, ей передаются аргументы. Если аргумент является ссылкой на область памяти (переменной, указателем или ссылкой), то функция, в зависимости от типа своего параметра, может либо воспользоваться её значением (например, создать переменную, скопировать туда значение аргумента), либо самим аргументом (создать ссылку на область памяти, на которую ссылается аргумент).

Функция без аргументов

Такая функция не требует никаких аргументов.

См. также

Ссылки

• Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
• Переработать оформление в соответствии с правилами написания статей.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Функция (программирование)» в других словарях:

Функция — В Викисловаре есть статья «функция» Функция многозначный термин, который означает такое отношение между элементами, в котором изменение в одном влечет измен … Википедия

Функция заглушка — Функция заглушка в программировании функция не выполняющая никакого осмысленного действия, возвращающая пустой результат или входные данные в неизменном виде. Аналогичное английское слово stub . Используется: Для наглядности при… … Википедия

функция психическая высшая: восстановление — (восстановление высших психических функций) раздел нейропсихологии, посвященный изучению механизмов и методов восстановления функций психических высших, нарушенных вследствие поражений локальных мозга головного. На базе представлений об… … Большая психологическая энциклопедия

Программирование математическое — Математическое программирование математическая дисциплина, изучающая теорию и методы решения задач о нахождении экстремумов функций на множествах конечномерного векторного пространства, определяемых линейными и нелинейными ограничениями… … Википедия

Программирование сетевых задач — В области компьютеризации понятие программирования сетевых задач или иначе называемого сетевого программирования (англ. network programming), довольно сильно схожего с понятиями программирование сокетов и клиент серверное программирование,… … Википедия

Функция высшего порядка — Функция высшего порядка функция, принимающая в качестве аргументов другие функции или возвращающая другую функцию в качестве результата. Основная идея состоит в том, что функции имеют тот же статус, что и другие объекты данных.… … Википедия

ПРОГРАММИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ — комплекс математич. моделей и методов решения задач отыскания экстремума (максимума или минимума) функций многих переменных при ограничениях в виде неравенств. Имеется в виду, что переменные характеризуют какие либо аспекты механизма… … Российская социологическая энциклопедия

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ — математическая дисциплина, изучающая математич. абстракции программ, трактуемых как объекты, выраженные на формальном языке, обладающие определенной информационной и логич. структурой и подлежащие исполнению на автоматич. устройствах. П. т.… … Математическая энциклопедия

Функция (информатика) — Функция в программировании один из видов подпрограммы. Особенность, отличающая её от другого вида подпрограмм процедуры, состоит в том, что функция возвращает значение, а её вызов может использоваться в программе как выражение. С точки зрения… … Википедия

ПРОГРАММИРОВАНИЕ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ — раздел прикладной математики, применяющийся в качестве метода в экономических исследованиях. Разрабатывает теорию и методы решения условных экстремальных задач, является основной частью формального аппарата анализа разнообразных задач управления … Большой экономический словарь

Понятие функции в программировании

Что такое функция

Программа представляет собой последовательность выражений языка. Нередко случается, что какая-то часть программы (блок кода) неоднократно повторяется. Чтобы устранить подобного рода избыточность программного кода, используют понятие функции. Функция — это именованный блок кода, который вызывается в нужных местах программы по имени. Другими словами, функция представляет собой подпрограмму, которую можно вызвать из основной программы, причем неоднократно. Повторяющийся (да и не только) блок программного кода обычно обозначают некоторым уникальным именем, чтобы потом при необходимости обратиться к нему по этому имени. Как видно, это простая и естественная идея, направленная на облегчение реализации сложных проектов, состоящих из более простых программ.

Подпрограмма или, другими словами, функция должна быть связана (интегрирована) с основной программой, так сказать, со своим внешним окружением. С целью обеспечения взаимодействия с остальной частью программы для функции можно предусмотреть так называемые вход и выход.

Вход в функцию — это передача ей аргументов — данных, полученных во внешней части программы. Получив данные из своего внешнего окружения (внешней программы), функция должна их как-то обработать: выполнить некоторые действия, вычислить какое-то значение. Выход из функции — значение, вычисленное блоком кода данной функции и передаваемое во внешнюю часть программы. Входные данные называют параметрами, а выходные — возвращаемым значением. Впрочем, функция может и не принимать никаких параметров, а также ничего не возвращать. Что принимает в качестве параметров и что возвращает функция в результате своей работы, определяет программист, т. е. автор-разработчик программного кода.

Функция, создаваемая разработчиком, должна иметь определение, а ее применение в программе называют вызовом функции. Например, в JavaScript и РНР (а также в большинстве других языков) такое определение начинается с ключевого слова function , за которым следуют имя функции, пара круглых скобок, внутри которых можно указать список параметров, а затем блок кода, заключенный в фигурные скобки:

Замечу попутно, что блок кода в фигурных скобках называют еще телом функции. В нем записывают выражения языка, которые функция должна выполнить, если будет вызвана из основной программы. Таким образом, само по себе определение функции в программе еще ничего не выполняет. Оно только указывает интерпретатору, что должно быть выполнено при обращении к данной функции.

Для вызова функции в том или ином месте программы указывают следующее выражение:

Круглые скобки после имени функции записывают независимо от того, предусмотрены для нее входные параметры или нет. В программе вы можете один раз задать определение функции, а затем, по мере необходимости, вызывать ее столько раз, сколько требуется. Таким образом, вам не придется многократно воспроизводить в программе код тела функции.

Отсюда следует, что основная программа может содержать как определения, так и вызовы функций. В программе, содержащей вызовы функций, должны быть доступны их определения. Простейший, но не единственно возможный способ обеспечить это заключается в том, чтобы заключить определения функций в тот же программный код, в котором они где-то вызываются. Опытные программисты обычно размещают определения функций в одном месте, например, в конце или, наоборот, в начале программного кода.

Легко представить, что в некоторых ситуациях может потребоваться передать какой-то функции данные из основной программы. Но зачем функция должна что-то возвращать? Ведь она может выполнить предусмотренные действия, например, отправить данные по электронной почте, открыть или закрыть окно, отобразить картинку и т. п., а внешней программе не потребуется от нее какое-либо значение.

Результат работы функции

Если вызывающей программе ничего не требуется получить от вызванной функции, то программист может определить эту функцию как ничего не возвращающую. Это разрешается в JavaScript и РНР, но может быть недопустимо в других языках. Если даже практически не важно, что именно возвращает функция, все равно желательно определить для нее некоторое возвращаемое значение. В таких случаях, часто указывают, например, пустое значение, обозначаемое как null . Возможны и другие варианты. Кроме того, функции, возвращающие какие-то значения, можно использовать в выражениях с операторами (например, арифметическими), а также в качестве параметров других функций. Если функция ничего не возвращает, то ее применение в выражениях с операторами обычно чревато сообщениями об ошибках.

Чтобы функция что-то возвращала, необходимо записать в ее теле специальный оператор возврата:

В этом примере переменным Оклад и Процент сначала присваивают некоторые числовые значения. Затем вычисляют выражение, определяющее объем выплаты некоторому сотруднику с учетом его оклада и премии. Премия рассчитывается с помощью функции Премия (Оклад, Процент) , принимающей два параметра: оклад и процент от оклада; данная функция возвращает величину премии (символом * обозначен оператор арифметического умножения). Возвращаемое значение прибавляется к значению переменной Оклад , а полученный результат присваивается переменной Выплата . Определение функции Премия (Оклад, Процент) размещено в конце текста программы.

Данный программный код написан на вымышленном (абстрактном) языке. Я хотел сказать, что рассмотренный пример иллюстрирует принцип применения функции, а потому не важно, какой именно язык выбрать. Главное, что все изложенное ранее должно позволить вам понять данный код. Тем не менее, признаюсь, что приведенный мной пример написан и на языке JavaScript. Напишите в обычном текстовом редакторе, например, в Блокноте Windows следующие строки:

Это HTML-код с внедренным в него сценарием на JavaScript. Код сценария заключен между тегами и отличается от рассмотренного ранее только встроенной функцией alert ( ) для вывода сообщений в диалоговом окне. Сохраните данный код в файле с расширением htm или html, а затем откройте его в Web-браузере, например, Microsoft Internet Explorer или Mozilla Firefox. В результате появится диалоговое окно с сообщением «Выплата =11500».

Назначение

Появление в 1960-х годах в языках (например, ALGOL и FORTRAN) функций позволило писать программы, более ясные в структурном отношении и компактные по объему кода. В идеале основная программа могла состоять из одних только вызовов функций, перемежаемых, возможно, операторами управления (условными переходами и/или циклами). Разрабатывать и отлаживать такие программы стало и быстрее и легче. Программист при желании мог писать программы, широко используя вызовы функций, тела которых еще не написаны.

Чтобы такая программа как-то работала без зависаний и выдачи системных сообщений об ошибках, вместо настоящего кода функции можно было временно поставить так называемые заглушки, например, выво­ды специальных сообщений программиста, например, «работает функция mуfunc».

По появлению подобных сообщений можно судить, что вызов функции произошел, и при этом в главной программе не возникло коллизий. Создав основную программу в общем виде, можно приступить к доработке ее деталей — написанию требуемых кодов, составляющих тела настоящих функций, которые до сих пор были замещены примитивными заглушками. Это так называемый способ (или стиль) программирования «сверху вниз», при котором создаваемая программа постепенно обретает требуемые функции.

Усовершенствование такой программы впоследствии сводится главным образом к модификации кодов уже существующих функций и может быть выполнено другими людьми, а не только автором программы. При этом, разумеется, необходимо сохранить прежний интерфейс (вход-выход или связи с внешним окружением), чтобы не пришлось перестраивать внешнюю программу, содержащую вызовы модифицируемой функции.

Даже если какой-то блок кода предполагается задействовать в программе всего лишь один раз, все равно следует подумать, а не оформить ли его в виде функции, чтобы сделать основной текст программы более понятным и к тому же обеспечить возможность повторного использования этого блока в перспективе.

Приведение типов

Возможно, вы заметили одно странное обстоятельство: функции аlert( ) в качестве параметра передается выражение в виде суммы разнотипных данных (символьного и числового значения):

Здесь «Выплата =» — символьная строка, а Выплата — переменная числового типа. Ведь ранее упоминалось, что типы данных для того и придуманы, чтобы выполнять операции над однотипными данными. Тем не менее, сообщений об ошибках не было, а результат оказался правильным!

Дело в том, что рассмотренный сценарий написан на JavaScript, то есть на языке со слабым контролем типов данных. Если в выражении этого языка встречается операция над данными различных типов, то происходит такое автоматическое преобразование этих данных, при котором может быть получен более или менее осмысленный результат. Так, например, если требуется к символьной строке прибавить число, то интерпретатор JavaScript сначала преобразует его в соответствующую строку символов, которую затем «приклеит» к первой строке. В результате получится символьная строка.

Обратите внимание, что число, записанное как последовательность цифр (возможно, с разделительной десятичной точкой и знаком + или — перед числом), с точки зрения типа данных отличается от того же числа, заключенного в кавычки. В последнем случае это будет строка, содержащая число, а не собственно число. В языках со слабым контролем типов операции над разнотипными данными выполняются с учетом некоторых правил автоматического преобразования типов (так называемые правила приведения типов), которые по умолчанию разные для различных языков. Поэтому многие программисты, чтобы не запутаться и все держать под своим полным контролем, выполняют предварительное приведение данных к нужному типу с помощью специальных встроенных функций, а не полагаются на автоматические преобразования. Однако хорошее знание особенностей языка позволяет создавать более короткие и элегантные программы.

Методы окружения

Также может вызвать недоумение функция alert( ) , которая использовалась для вывода на экран диалогового окна с некоторым сообщением. А откуда она взялась? В сценарии же нет ее определения.

Если быть точным, то alert( ) — не функция языка JavaScript, а метод объекта window , который принадлежит объектной модели браузера. Методами называют внутренние функции объектов. Иначе говоря, этот метод, как и множество других объектов браузера и загруженного в него документа, составляют внешнее окружение сценария на JavaScript. К объектам этого окружения можно обратиться из сценария, т. е. прочитать и даже изменить значения их свойств. Тем самым обеспечивается возможность управлять внешним видом и информационным содержанием Web-страницы.

Разумеется, модель того, с чем требуется иметь дело посредством языка программирования, необходимо знать. Но это особая тема. Сейчас же мы рассматриваем языки программирования, причем с высоты «птичьего полета», и до поры не будем слишком приближаться к «земле».

Post navigation

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Элементы функционального программирования

Функции являются абстракциями, в которых детали реализации некоторого действия скрываются за отдельным именем. Хорошо написанный набор функций позволяет использовать их много раз. Стандартная библиотека Python содержит множество готовых и отлаженных функций, многие из которых достаточно универсальны, чтобы работать с широким спектром входных данных. Даже если некоторый участок кода не используется несколько раз, но по входным и выходным данным он достаточно автономен, его смело можно выделить в отдельную функцию.

Эта лекция более ориентирована на практические соображения, а не на теорию функционального программирования. Однако там, где нужно, будут употребляться и поясняться соответствующие термины.

Далее будут подробно рассмотрены описание и использование функций в Python , рекурсия , передача и возврат функций в качестве параметров, обработка последовательностей и итераторы , а также такое понятие как генератор . Будет продемонстрировано, что в Python функции являются объектами (и, значит, могут быть переданы в качестве параметров и возвращены в результате выполнения функций). Кроме того, речь пойдет о том, как можно реализовать некоторые механизмы функционального программирования, не имеющие в Python прямой синтаксической поддержки, но широко распространенные в языках функционального программирования.

Что такое функциональное программирование?

Функциональное программирование — это стиль программирования, использующий только композиции функций . Другими словами, это программирование в выражениях, а не в императивных командах.

Как отмечает Дэвид Мертц (David Mertz) в своей статье о функциональном программировании на Python , «функциональное программирование — программирование на функциональных языках ( LISP , ML, OCAML, Haskell, . )», основными атрибутами которых являются:

• «Наличие функций первого класса» (функции наравне с другими объектами можно передавать внутрь функций).
• Рекурсия является основной управляющей структурой в программе.
• Обработка списков (последовательностей).
• Запрещение побочных эффектов у функций, что в первую очередь означает отсутствие присваивания (в «чистых» функциональных языках)
• Запрещение операторов, основной упор делается на выражения. Вместо операторов вся программа в идеале — одно выражение с сопутствующими определениями.
• Ключевой вопрос: что нужно вычислить, а не как.
• Использование функций более высоких порядков (функции над функциями над функциями).

Функциональная программа

В математике функция отображает объекты из одного множества ( множества определения функции ) в другое ( множество значений функции ). Математические функции (их называют чистыми ) «механически», однозначно вычисляют результат по заданным аргументам. Чистые функции не должны хранить в себе какие-либо данные между двумя вызовами. Их можно представлять себе черными ящиками, о которых известно только то, что они делают, но совсем не важно, как.

Программы в функциональном стиле конструируются как композиция функций. При этом функции понимаются почти так же, как и в математике: они отображают одни объекты в другие. В программировании «чистые» функции — идеал, не всегда достижимый на практике. Практически полезные функции обычно имеют побочный эффект: сохраняют состояние между вызовами или меняют состояние других объектов. Например, без побочных эффектов невозможно представить себе функции ввода-вывода. Собственно, такие функции ради этих «эффектов» и используются. Кроме того, математические функции легко работают с объектами, требующими бесконечного объема информации (например, вещественные числа). В общем случае компьютерная программа может выполнить лишь приближенные вычисления.

Кстати, бинарные операции » + «, » — «, » * «, » / «, которые записываются в выражениях, являются «математическими» функциями над двумя аргументами — операндами. Их используют настолько часто, что синтаксис языка программирования имеет для них более короткую запись . Модуль operator позволяет представлять эти операции в функциональном стиле: