Чистая функция

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

1. функции возвращаемые значения идентичны ссылочными для идентичных аргументов (никаких изменений с локальными статическими переменными , нелокальными переменными , изменяемыми 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  ; 
      ++  х  ; 
    } 
  

  Значение x можно наблюдать только внутри других вызовов f(), и в качестве 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  ; 
      ++  х  ; 
      вернуть   х  ; 
    } 
  

• 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   знак равно   0  ; 
      станд  ::  cin   >>   x  ; 
      вернуть   х  ; 
    } 
  

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  ; 
      ++  х  ; 
    } 
  

• из-за мутации нелокальной переменной

  пустота   ж  ()   { 
     ++  х  ; 
    } 
  

• из-за мутации изменяемого ссылочного аргумента

  пустота   ж  (  int  *   x  )   { 
     +*  x  ; 
    } 
  

• из-за мутации выходного потока

  void   f  ()   { 
     std  ::  cout   <<   "Привет, мир!"    <<   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  ; 
      ++  х  ; 
      вернуть   х  ; 
    } 
  

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

  int   f  ()   { 
     int   x   знак равно   0  ; 
      станд  ::  cin   >>   x  ; 
      вернуть   х  ; 
    } 
  

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   :   факт  (  n  -1  )  *  n  ;  
  } 
 int   fact_wrapper  (  int   n  )   { 
     статический   int   кэш  [  13  ]; 
      утверждать  (  0  <=  n   &&   n  <  13  ); 
      if   (  кэш  [  n  ]   ==   0  ) 
         кеш  [  n  ]   =   факт  (  n  ); 
      вернуть   кеш  [  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 которую указывает строка, поэтому отсутствует указанное выше свойство 1. Тем не менее, в однопоточной среде следующий код C++

std  ::  string   s   =   "Привет, мир!"   ; 
  int   a  [  10  ]   =   {  1  ,   2  ,   3  ,   4  ,   5  ,   6  ,   7  ,   8  ,   9  ,   10  }; 
  интервал   л   =   0  ; 

  для   (  int   я   знак равно   0  ;   я   <   10  ;   ++  я  )   { 
   л   +=   s  .   длина  ()   +   а  [  я  ]; 
  } 

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 может использоваться 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 залива странах Персидского 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.