Чистая функция

В компьютерном программировании — чистая функция это функция , обладающая следующими свойствами:

1. функции возвращаемые значения идентичны аргументов для идентичных ( никаких изменений с локальными статическими переменными , нелокальными переменными , изменяемыми ссылочными аргументами или входными потоками , т. е. ссылочная прозрачность ), и
2. функция не имеет побочных эффектов (нет мутаций локальных статических переменных, нелокальных переменных, изменяемых ссылочных аргументов или потоков ввода/вывода).

Примеры

Чистые функции

Следующие примеры функций C++ являются чистыми:

• floor, возвращая пол числа;
• max, возвращая максимум два значения.
• функция f , определяемая как

  void f() {
    static std::atomic<unsigned int> x = 0;
    ++x;
  }
  

  Стоимость x можно наблюдать только внутри других вызовов f(), и как f() не сообщает о ценности x для окружающей среды он неотличим от функции void f() {} это ничего не дает. Обратите внимание, что x является std::atomic так что изменения из нескольких потоков, выполняющихся f() одновременно не приводят к гонке данных , которая имеет неопределенное поведение в C и C++.

Нечистые функции

Следующие функции C++ являются нечистыми, поскольку им не хватает указанного выше свойства 1:

• из-за изменения возвращаемого значения со статической переменной

  int f() {
    static int x = 0;
    ++x;
    return x;
  }
  

• из-за изменения возвращаемого значения с нелокальной переменной

  int f() {
    return x;
  }
  

  По той же причине, например, библиотечная функция C++ sin() не является чистым, поскольку его результат зависит от режима округления IEEE , который можно изменить во время выполнения.
• из-за изменения возвращаемого значения с изменяемым ссылочным аргументом

  int f(int* x) {
    return *x;
  }
  

• из-за изменения возвращаемого значения в зависимости от входного потока

  int f() {
    int x = 0;
    std::cin >> x;
    return x;
  }
  

Следующие функции C++ являются нечистыми, поскольку им не хватает указанного выше свойства 2:

• из-за мутации локальной статической переменной

  void f() {
    static int x = 0;
    ++x;
  }
  

• из-за мутации нелокальной переменной

  void f() {
    ++x;
  }
  

• из-за мутации изменяемого ссылочного аргумента

  void f(int* x) {
    ++*x;
  }
  

• из-за мутации выходного потока

  void f() {
    std::cout << "Hello, world!" << std::endl;
  }
  

Следующие функции C++ являются нечистыми, поскольку в них отсутствуют свойства 1 и 2:

• из-за изменения возвращаемого значения с помощью локальной статической переменной и мутации локальной статической переменной

  int f() {
    static int x = 0;
    ++x;
    return x;
  }
  

• из-за изменения возвращаемого значения в зависимости от входного потока и мутации входного потока

  int f() {
    int x = 0;
    std::cin >> x;
    return x;
  }
  

Ввод-вывод в чистых функциях

Ввод-вывод по своей сути нечист: операции ввода подрывают ссылочную прозрачность , а операции вывода создают побочные эффекты. Тем не менее, в некотором смысле функция может выполнять ввод или вывод и при этом оставаться чистой, если последовательность операций на соответствующих устройствах ввода-вывода моделируется явно как аргумент и результат, а операции ввода-вывода принимаются потерпеть неудачу, когда входная последовательность не описывает операции, фактически выполненные с момента начала выполнения программы.

Второй момент гарантирует, что единственная последовательность, которую можно использовать в качестве аргумента, должна меняться при каждом действии ввода-вывода; первый позволяет различным вызовам функции ввода-вывода возвращать разные результаты из-за изменения аргументов последовательности.

Монада ввода-вывода — это идиома программирования, обычно используемая для выполнения ввода-вывода на чисто функциональных языках.

Мемоизация

Выходные данные чистой функции могут быть предварительно вычислены и кэшированы в справочной таблице. В методе, называемом мемоизацией , любой результат, возвращаемый данной функцией, кэшируется, и при следующем вызове функции с теми же входными параметрами кэшированный результат возвращается вместо повторного вычисления функции.

Мемоизацию можно выполнить, обернув функцию в другую функцию ( функцию-обертку ).

С помощью мемоизации вычислительные усилия, необходимые для вычислений самой функции, могут быть уменьшены за счет накладных расходов на управление кэшем и увеличения требований к памяти.

Программа C для кэшированного вычисления факториала ( assert() прерывается с сообщением об ошибке, если его аргумент ложный; на 32-битной машине значения выходят за рамки fact(12) все равно не может быть представлено.

static int fact(int n) {
    return n<=1 ? 1 : fact(n-1)*n; 
}
int fact_wrapper(int n) {
    static int cache[13];
    assert(0<=n && n<13);
    if (cache[n] == 0)
        cache[n] = fact(n);
    return cache[n];
}

Оптимизация компилятора

Функции, которые обладают только указанным выше свойством 2, то есть не имеют побочных эффектов, допускают методы оптимизации компилятора, такие как исключение общих подвыражений и оптимизация цикла , аналогичная арифметическим операторам. Примером C++ является length метод, возвращающий размер строки, который зависит от содержимого памяти, на которое указывает строка, поэтому отсутствует указанное выше свойство 1. Тем не менее, в однопоточной среде следующий код C++

std::string s = "Hello, world!";
int a[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
int l = 0;

for (int i = 0; i < 10; ++i) {
  l += s.length() + a[i];
}

можно оптимизировать так, чтобы значение s.length() вычисляется только один раз, перед циклом.

Некоторые языки программирования позволяют объявлять чистое свойство функции:

• В Фортране и D pure Ключевое слово можно использовать для объявления функции свободной от побочных эффектов (т.е. имеющей только указанное выше свойство 2). Компилятор может вывести свойство 1 поверх объявления. См. также: Особенности языка Fortran 95 § Чистые процедуры .
• В Персидского залива странах pure Атрибут указывает свойство 2, а атрибут const Атрибут определяет действительно чистую функцию с обоими свойствами.
• Языки, предлагающие выполнение функций во время компиляции, могут требовать, чтобы функции были чистыми, иногда с добавлением некоторых других ограничений. Примеры включают в себя constexpr C++ (оба свойства). См. также: C++11 § constexpr — Обобщенные константные выражения .

Модульное тестирование

Поскольку чистые функции имеют одинаковые возвращаемые значения для одинаковых аргументов , они хорошо подходят для модульного тестирования .

См. также

• Выполнение функции во время компиляции . Оценка чистых функций во время компиляции.
• Детерминированный алгоритм - алгоритм, который при определенных входных данных всегда будет выдавать один и тот же результат.
• Идемпотентность - свойство операций, благодаря которому их можно применять несколько раз без изменения результата.
• Лямбда-исчисление - Математико-логическая система, основанная на функциях.
• Чисто функциональная структура данных . Структура данных, реализуемая на чисто функциональных языках.
• Реентерабельность (вычисления) – одновременное выполнение функции без вмешательства в другие вызовы.