Язык программирования Python - [17]

Лекция #3: Элементы функционального программирования.

Эта лекция может показаться необычной для того, кто использует императивные языки программирования (вроде Pascal, C++ или Java). Тем не менее, функциональный подход дает программисту мощные средства, позволяя создавать не только более компактный, но и более устойчивый к ошибкам программный код. Совсем не обязательно писать с помощью Python чисто функциональные программы, но необходимо научиться видеть, где элементы функционального программирования принесут максимальный эффект.

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:

>>> from operator import add, mul
>>> print add(2, mul(3, 4))
14

Функция: определение и вызов

Как уже говорилось, определить функцию в Python можно двумя способами: с помощью оператора def и lambda–выражения. Первый способ позволяет использовать операторы. При втором — определение функции может быть только выражением.

Забегая вперед, можно заметить, что методы классов определяются так же, как и функции. Отличие состоит в специальном смысле первого аргумента self (в нем передается экземпляр объекта).

Лучше всего рассмотреть синтаксис определения функции на нескольких примерах. После определения соответствующей функции показан один или несколько вариантов ее вызова (некоторые примеры взяты из стандартной библиотеки).