JS ФП тезисы

Источники

• Functional JavaScript (блог)
• Что такое монады? (форум)

Парадигмы (стили) программирования

Языки программирования состоят из операторов, условных операторов, операторов цикла и функций. Наличие условных операторов и операторов циклов являются отличительными чертами "императивных языков программирования". Функциональные языки, как правило, поддерживают только операторы и функции.

Интересно, что ни один из трех языков, Java, C ++ и C, не являются функциональными языками программирования.Язык C - императивный язык программирования, C ++ и Java, императивный / объектно- ориентированные языки программирования. Т.е. существуют три парадигмы (стиля) программирования: императив, объектно-ориентированный и функциональный. Существует еще один, декларативный стиль.

Различия между этими парадигмами заложены в основе. Императив и объектно-ориентированное программирование основано на «машине Тьюринга». Функциональное программирование на базе "лямбда-исчисления", а декларативное программирование основано на «логике первого порядка". Будут рассмотрены различия между, императивным, объектно-ориентированным и функциональном программировании на практическом уровне.

В императивном языке программирования изменение состояния программы достигается путем выполнения серии операторов, и выполняет контроль потока, прежде всего, с помощью условных операторов, операторов цикла и вызовов функций. Программа, приведенная ниже простая реализация метода JavaScript Array.join в императивном стиле.

function simpleJoin(stringArray) {
    var accumulator = '';
    for (var i=0, l=stringArray.length; i < l; i++) {
        accumulator = accumulator + stringArray[i];
    }
    return accumulator;
}

Код выше - последовательный. Мы перебераем массив и добавить каждый элемент в строку-аккумулятор и возвращаем аккумулятор. Сейчас мы перепишем эту функцию в объектно-ориентированном способом. Так как JavaScript имеет класс Array, мы добавим этот метод для класса Array, так что каждый экземпляр этого класса получит доступ к этой функции. JavaScript использует наследование через прототипы и поэтому мы добавляем эту функцию, в прототип массива.

Array.prototype.simpleJoin = function() {
    var accumulator = "";
    for (var i=0, l=this.length; i < l; i++) {
        accumulator = accumulator + this[i];
    }
    return accumulator;
}

Объектно-ориентированный вариант похож на императивную версию, кроме того, что функция (метод) теперь метод класса. Объектно-ориентированные языки, как правило, императивные также.

Теперь запишем функциональную версию этой функции.

function simpleJoin(stringArray, i, accumulator) {
    if (i === stringArray.length) {
     return accumulator;
    } else {
     return simpleJoin(stringArray, i+1, accumulator+stringArray[i])
    }
}

Первое, что нужно отметить, это то, что мы не используем здесь цикл для итерации. Вместо этого для итерации используется рекурсия. Действительно, это одна из характеристик функционального языка программирования.

Функция называется впервые для данного массива в StringArray, i установлено в 0, и аккумулятор установлен в "". Второй раз функции вызывается из себя с той же StringArray, я установлен на i + 1, и аккумулятор установлен в аккумуляторе + StringArray [i]. И мы продолжаем так же, пока i === stringArray.length, когда мы возвращаемся аккумулятор. Мы будем обсуждать рекурсию подробно позже в более поздней почте. Просто помните, мы использовали рекурсию для этого итерации здесь.

Но осталось кое-что еще от императивного стиля - условный оператор. Functional languages tend to use expressions that evaluate to some value, instead of statements that don't evaluate to anything. Итак, давайте перепишем функцию, чтобы сделать его как функциональные, как можно в JavaScript.

function simpleJoin(stringArray, i, accumulator) {
    return (i === stringArray.length) ? accumulator :
        simpleJoin(stringArray, i + 1, accumulator + stringArray[i])
}

Теперь это функциональный стиль, как его можно написать с помощью JavaScript. Вместо того, чтобы, возвращать значение на основе вычислений условного оператора, мы возвращаем значение вычисляемое условным оператором. Значение первого выражения возвращается, если верно и второе, если ложно.

Мы видим, что функциональная версия короче. Действительно, одним из преимуществ функционального программирования является то, что необходимо меньшей кода для того что бы сделать то же самое, что приводит к лучшей читаемости и ремонтопригодности.

Однако в случае JavaScript, как сейчас вы не можете использовать рекурсию для этого итерации. Вы должны продолжать использовать императивный или объектно-ориентированного метода для итерации. Это потому, что JavaScript (пока) не поддерживает "оптимизацию хвостового вызова". Мы будем обсуждать хвостовую рекурсию, и хвостовую оптимизацию, и как обойти эту проблему позже. JavaScript - мультипарадигмальный язык программирования:императивный, объектно-ориентированный и функциональный язык.

Хорошим примером мультипарадигмальной природы JavaScript является метод Array.forEach. Обратите внимание, что все современные браузеры уже реализовали это. Вот простая реализация.

Array.prototype.forEach = function(callback) {
    for (var i = 0, len = this.length; i < len; ++i) {
        callback(this[i], i, this);
    }
}

В этом коде цикл for императивный код. Добавление в прототип объектно-ориентированное. Передача функции в качестве аргумента другой функции (callback) - функциональный код и эта возможность функционального программирования известна как “higher order function” (функции высшего порядка). В JavaScript, мы принимаем это как должное - передача функции в качестве аргумента. Удивительно этой возможности не было в самых популярных языках, до недавнего времени. например, вы не можете передавать функции в качестве аргументов в Java, хотя вы можете сделать это косвенно, через интерфейсы. То же самое в случае с C, хотя вы можете сделать это косвенно, используя указатели.

Абстракции

What if JavaScript did not have the “passing functions as arguments feature”? The answer to this question is crucial to understanding what functional programming brings to the table. For one, we would not be able to write the Array.forEach function above. And even worse, every time we had to iterate over an array, we would have to write the same for-loop again and again. If we had Array.foreach we need to think only about writing the callback. We need to think only of what to do with each element of the array, and need not concern ourselves with iterating over the array. In other words we have “abstracted” away the iteration part of the problem, and freed ourselves to concentrate on each element of the array.

Abstractions are about hiding away implementation details, thereby reducing and factoring out details, so that programmers can focus on the problem at a higher level. Abstractions can be code abstractions, as we saw in the example above, and data abstractions. Objected oriented programming is about combining code and data abstractions into one abstraction called the class. In functional programming we use functional features like first class functions, nested functions, anonymous functions and closures to abstract away code and sometimes even data. Monads are an esoteric feature of functional programming that can even abstract away program structure!

Macro's are another feature that allows code abstraction. However macros are not a feature of functional programming. But they are found in all Lisp like functional languages like Lisp, Scheme, Clojure etc. There are attempts to bring Macro's to JavaScript and at the moment it is very much early days.

A good example of the power of functional abstractions is jQuery. jQuery is the mother of all functional abstractions. It has abstracted away the JavaScript language itself! So much so that you wouldn't be surprised, if you found a jQuery programmer who knows very little or no JavaScript. As of Feb 2013 there was one publisher who had 32 jQuery books listed, and not a single JavaScript book! And jQuery has achieved so much mostly using only two functional features, functions as arguments and closures.

Функции первого класса и замыкания

Возможность функционального программирования, реализованые Бренданом Эйчом в JavaScript были first class functions или first class citizens. Это означает что функции рассматриваются как и все другие переменные. Т.е. можно передать их в качестве аргументов функций, вы можете вернуть их в качестве значений от других функций, или вы можете назначить им переменные или структуры данных. Мы видели ранее передачу функции в качестве аргумента. Вот пример присвоения функцию переменной.

function greet(name) {
    console.log("Hello " + name);
}

greet("John"); // "Hello John"

var sayHello = greet;
sayHello("Alex"); // "Hello Alex"

Некоторые теоретики языка программирования рассматривают "анонимные функции" как функции первого класса. Чтобы не отстать, Брендан Эйч выбросил анонимные функции в миксе. Вот анонимная функция в JavaScript.

function(name) {
    console.log(“Hello “ + name);
}

Если Вы заметили, мы не давали этой функции имя. Ведь это анонимная функция. Если вы попытаетесь запустить код, указанный выше, вы получите сообщение об ошибке. Что-то на подобие "вы не можете запустить код в этом контексте". И это правильно. Они могут быть назначены только на что-то, или передаться в качестве аргументов функции.

var sayHello = function(name) {
    console.log(“Hello “ + name);
}
sayHello("Jane"); // "Hello Jane"

Что делать, если мы хотим изменить приветствие? Иногда мы хотели бы сказать, "Hi", а не "Hello". Мы могли бы создать обобщенную функцию "createGreeting", которая, в свою очередь "сочинит" еще одну функцию для вас, и вернет новую комбинированную функцию. Так что, если мы бы хотели сказать "Hi" мы вернули функцию, а если мы хотели сказать "Hello" мы бы вернули другую функцию, которая говорит "Hello". Мы можем делать все это потому что JavaScript поддерживает функции первого класса, и мы можем вернуть функцию из другой функций. Вот код.

function createGreeting(greeting) {
    return function(name) {
        console.log(greeting + " " + name);
    }
}
var sayHi = createGreeting("Hi");
sayHi("Jack"); // "Hi Jack"
var sayHello = createGreeting("Hello");
sayHello("Jack"); // "Hello Jack"

Функция createGreeting принимает greeting в качестве аргумента. Функция возвращает новую анонимную функцию. Однако созданная анонимная функция была создана внутри другой функции createGreeting. Таким образом она является вложенной функцией. Теперь, поскольку наш язык поддерживает анонимные функции, он также будет поддерживать вложенные функции. И когда мы возвращаемся вложенные функции из нашей функции мы столкнуться с другой проблемой.

Анонимная функция принимает аргумент name и печатает в консоли greeting+name.Переменная name является аргументом анонимной функции, и ведет себя так же, как и любой другой переменной, определенной в функции. Другими словами name "локальна" для анонимной функции. Но это не относится к переменной greeting. Она определен в другой функции - createGreeting и, следовательно, "не локальна" для анонимной функции. Однако анонимные функции могут получить доступ к переменной greeting и это называется Лексическая область видимости.

“Scope” (контекст, граница) переменной является её "видимостью" в пределах программы. "Лексическая область" означает, что видимость распространяется для всего текста (кода). Поэтому можно сказать “локальная переменная лексически ограничена” внутри функции, это значит, что локальные переменные функции видны для всего текста внутри функции, даже для кода внутри другой вложенной функции. Это также означает, что когда вы запускаете вложенную функцию вне окружения лексического контекста, the nested functions non local variable will not be visible. И в этом проблема возвращения вложенных функций из другой функции. И в самом деле вот что мы здесь делаем.

var sayHi = createGreeting("Hi"); In the line above we assign the returned anonymous function to variable sayHi. And call the function in the next line.

sayHi(“Jack”) We are calling sayHi outside of createGreeting. And the greeting variable is not available outside of createGreeting. The variables it may access in the scope where it was defined, may not be available in the scope where it was actually called. Thats why languages like C don't support nested functions. For this to work the language needs to support another functional programming feature called “closures”. JavaScript supports closures. As matter of fact it has to support closures. Any language that supports first class functions and nested functions has to support closures.

A function's closure is a reference to all its non local variables. In the previous example greeting was the non local variable and name was the local variable. A closure is a table of references to all of a functions non local variables. This allows the function to continue to refer to the non local variable even when the function is out of the scope of the variables.

М

С точки зрения программиста монада - это абстрактный контейнер с тремя функциями.

• map — заменяет содержимое контейнера без изменения самого контейнера. Заменяем каждый гвоздь в коробке шурупом, каждый int в массиве float-ом — так map и работает.
• unit — берет элемент и возвращает контейнер с одним этим элементом. Делаем из гвоздя коробку с одним гвоздем. Делаем из int массив из одного int.
• join — уменьшает вложенность контейнеров — из коробки коробок гвоздей делает коробку с гвоздями (из массива массивов int-ов — массив int-ов). Ну или из коробки коробок коробок гвоздей делаем коробку коробок гвоздей. Это уже сложная концепция, доступная только программистам и более абстрактно развитым товарищам; обычный человек будет обескуражен тем, как в одну коробку могли поместиться несколько точно таких-же коробок. Впрочем, простая замена коробок коробок на мешки мешков или пакеты пакетов позволяет совершить абстрактно-теоретико-категориальный прорыв.

Монада - это интерфейс с двумя методами:

• "поднять в монаду". Давайте называть этот метод 'pure'. Функция от одного аргумента. На входе какое-то значение, на выходе это же значение, но помеченое другим типом.
• "применить функцию к значению в монаде" или "совершить действие". В энергичном языке, думаю, уместо было бы название 'apply'. Функция от двух аргументов. На входе монадическое значение (полученное из первой функции) и собственно функция-действие, которое нужно применить к первому аргументу. На выходе новое монадическое значение, то есть изменённое функцией-действитем. Ну, эта особенность с "на выходе новое", она в общем-то нужна в языках с одним присваиванием, в остальных можно передать монадическое значение по ссылке и поменять его.

Всё остальное относится к конкретным монадам и рассматривать их нужно отдельно.

Собственно, весь смысл в двух вещах:

1. новый тип даёт инкапсуляцию
2. явная передача функции-действия развязывает (decoupling) их от собственно процесса применения действия. И основная фишка в том, что этот, своего рода, late binding может происходить не в рантайме (как в технологии COM, если знаете), а во время компиляции. С хорошей поддержкой полиморфизма в системе типов можно:

• гибко определять как будут выполняться одинаковые действия в разных монадах
• повторно использовать однажды определённые действия в новых монадах.