«Паттерны» функционального программирования / Хабр

Что общего между этими примерами?

1. Есть некоторые объекты, в данном случае числа, и способ их взаимодействия. Причем результат взаимодействия — это тоже число (замкнутость).
2. Порядок взаимодействия не важен (ассоциативность).
3. Кроме того, есть некоторый специальный элемент, взаимодействие с которым не меняет исходный объект (нейтральный элемент).

За более строгим определением обратитесь к википедии. В рамках статьи обсуждается лишь несколько примеров применения моноидов на практике.

Композиция как основной «строительный материал»

Если у нас есть две функции, одна преобразующая яблоки в бананы (apple -> banana), а другая бананы в вишни (banana -> cherry), объединив их мы получим функции преобразования яблок в вишни (apple -> cherry).

Паттерн что это такое

Понятие паттерн имеет широкий спектр его применения. Так, например, оно встречается в таких науках, как психология, физика, информатика, также часто применяется в дизайне, музыке, творчестве. Такая схема поведения воспроизводится человеком автоматически в процессе взаимодействия с окружающим миром.

В психологии паттерном называется парадигма поведения, свойственная человеку в каких-нибудь ситуациях и обстоятельствах.

В науке, в частности в математике и языкознании, можно выявлять паттерны, путем исследования. С помощью прямого наблюдения можно выявить, как формируются визуальные шаблоны в искусстве и в природе. В природе они чаще всего хаотичны, являются фрактальными и не способны к копированию друг друга, встречаются в виде спиралей, волн, пены или трещины, создаются с помощью явления симметрии и отражения.

Подобные шаблоны включают в себя математически очерчиваемую структуру, выражающуюся через формулы. Сама по себе математика является способом поиска регулярностей и каждый конечный продукт от использования функций и есть математическим паттерном.

Процесс исследования и прогнозирования научными теориями, одновременно существующих регулярностей в природе и обществе есть процессом выявления паттернов.

В архитектуре, дизайне и искусстве для того, чтобы получить определенное стабильное воздействие, декорации и разнообразные визуальные элементы могут сочетаться и повторяться, создавая образы и модели. Шаблоны проектирования в компьютерных науках являются часто употребляемым решением широкого спектра проблем программирования.

В медицинских науках паттерн воспринимается как устойчивая комбинация результатов исследования или иных признаков, симптомов при похожих жалобах больного или больных с одной нозологией. Так, паттерн состоит из нескольких симптомов, признаков.  Синдром, в свою очередь, включает один или пару паттернов. Синдром или несколько синдромов составляют болезнь.

Паттерны имеют характерные свойства: они являются постоянной категорией, которую легко определить. Они всё время повторяются; являются бессознательно созданными алгоритмами, которые, как правило, очень сложно скорректировать. Они способны проявляться полностью или частично.

Если он выявляется частично, то его называют кодом. Например, человек услышал отрывок из какой-то песни, и у него перед глазами сразу отображаются картины из определенной впечатляющей ситуации из прошлого, его захватывают эмоции и воспоминания, которые связанные с ней. Таким образом, мелодия была кодом, произношение которого запустило весь паттерн.

Врожденный паттерн является отправной точкой, первоначальным шаблоном, на который наслаиваются другие. Такие комбинации паттернов объединяются со стереотипами, привычками и ценностями человека, формируя его характер и образ жизни. Поэтому, такие шаблоны всегда взаимодействуют и не могут существовать по отдельности.

Личность все время находится в развитии, приобретает опыт, знания, самосовершенствуется. И вместе с развитием личности происходит трансформация её паттернов, они совершенствуются или изменяют форму выражения. Можно продемонстрировать пример такой модификации на опыте мужчины, который привык жить холостяцкой жизнью, но соображая, что нужно изменять такой образ жизни и обзавестись семьей, продолжает всё же выражать некоторые поведенческие шаблоны.

Отдельные привычки, сохранившееся из холостяцкой жизни, могут преследовать человека еще некоторое время. Например, желание иметь собственное независимое личностное пространство, и проводить время одному или с друзьями, с чем, например, жена может не соглашаться.

Bind для обработки ошибок

Если у вас появилось смутное ощущение, что дальше идет описание монады Either, так оно и есть

Рассмотрим код на C#. Он выглядит достаточно хорошо: все кратко и понятно. Однако в нем отсутствует обработка ошибок. Действительно, что может пойти не так?

string UpdateCustomerWithErrorHandling() 
{
    var request = receiveRequest();
    validateRequest(request);
    canonicalizeEmail(request);
    db.updateDbFromRequest(request);
    smtpServer.sendEmail(request.Email) 
    return "OK";
} 

Мы все знаем, что обрабатывать ошибки нужно. Добавим обработку.

string UpdateCustomerWithErrorHandling() 
{
    var request = receiveRequest();
    var isValidated = validateRequest(request);
    if (!isValidated) 
    {
        return "Request is not valid"
    }
    
    canonicalizeEmail(request);
    try 
    {
         var result = db.updateDbFromRequest(request);
         if (!result) 
        {
           return "Customer record not found"
        }
    }
    catch
    {
        return "DB error: Customer record not updated"
    } 
 
    if (!smtpServer.sendEmail(request.Email))
    {
        log.Error "Customer email not sent"
    } 
 
    return "OK";
} 

Вместо шести понятных теперь 18 не понятных строчек. Это 200% дополнительных строчек кода. Кроме того, линейная логика метода теперь зашумлена ветвлениями и ранними выходами.

С помощью bind можно абстрагировать логику обработки ошибок. Вот так будет выглядеть метод без обработки ошибок, если его переписать на F#:

А вот этот код но уже с обработкой ошибок:

Более подробно эта тема раскрыта в отдельном докладе.

Builder (строитель)

Строитель по очень похож на фабрику, но вместо копирования эталона, строитель содержит в себе весь сложный набор действий, необходимый для производства. Скажем, на фабрике по производству апельсинового сока, вы можете заказать только апельсиновый сок, в то время как у строителя можно запросить березовый сок и он позаботиться как о содержимом пакета, так и о наклейках и соответствующих надписях, которые вы тоже можете изменять.

Factory (фабрика)

Фабрика – достаточно точное название для этого паттерна. Когда вам понадобится пакет сока, вы обращаетесь к фабрике с соответствующим запросом, она в свою очередь копирует эталон и передает вам его экземпляр. Что при этом происходит внутри фабрики и как она это делает вас не беспокоит.

Также, фабрики зачастую создаются с учетом производства только одного вида продукции. То есть, создавать фабрику по производству пакетов с соком с учетом возможности создания автомобильных покрышек не рекомендуется.

Factory method (фабричный метод)

Данный паттерн является основой фабрики. В действительности, при создании программы в первую очередь создается фабричный метод, а на его основе уже создаются фабрики.

Допустим фабрика производит пакеты с разными соками. Мы можем на каждый вид сока сделать свою производственную линию, но это не эффективно. Удобнее сделать одну линию по производству пакетов-основ, а разделение ввести только на этапе заливки сока, который мы можем определять просто по названию сока.

Для этого мы создаем основной отдел по производству пакетов-основ и предупреждаем все подотделы, что они должны производить нужный пакет с соком про простому «Надо» (т.е. каждый подотдел должен реализовать паттерн «фабричный метод»). Поэтому каждый подотдел заведует только своим типом сока и реагирует на слово «Надо».

Теперь, если нам потребуется пакет бананового сока, мы просто скажем отделу по производству бананового сока «Надо», а он в свою очередь скажет основному отделу по созданию пакетов сока: «Произведи свой обычный пакет, а этот сок нужно туда залить».

Map / reduce

Если ваши объекты — не моноиды, попробуйте преобразовать их. Знаменитая

— не более чем эксплуатация моноидов.

Функции с одинаковым типом входного и выходного значения являются моноидами и имеют специальное название — «эндоморфизмы» (название заимствовано из теории категорий). Что более важно, функции, содержащие эндоморфизмы могут быть преобразованы к эндоморфизмам с помощью частичного применения.

Грег Янг открыто заявляет, что Event Sourcing — это просто функциональный код. Flux и unidirectional data flow, кстати тоже.

Multiton (пул «одиночек»)

По сути данный паттерн – это реестр одиночек, каждый из которых имеет имя, по которому к нему можно получить доступ.

Prototype (прототип)

Этот паттерн похож на фабрику, но только фабрика здесь в самом объекте. К примеру, у вас в руках есть пустой пакет для сока, которому вы говорите «Хочу ананасовый сок». Пакет в свою очередь копирует себя и заполняет себя ананасовым соком.

В данном случае, пакет является прототипом и создает на своей основе другие объекты, с требуемыми вам параметрами.

Registry (реестр, журнал записей)

Данный паттерн предназначен для хранения записей, которые в него помещают и возвращения записей, которые у него запрашивают. Если вернуться к примеру с телефонной станцией, она будет являться реестром по отношению к телефонным номерам жителей.

Еще один пример одиночки-реестра – бухгалтерия. Фирма не создает бухгалтерию каждый раз, когда она ей понадобится. В то же время, в бухгалтерии хранятся записи обо всех сотрудниках фирмы, как в реестре.

Singleton (одиночка)

Допустим, нам нужно организовать линию связи между каждым жителем города. Как вариант, мы можем просто протянуть кабель от одного дома жителя к другому. Но масштабироваться такая система будет очень плохо, для добавления одного нового жителя к сети потребуется снова протягивать кабель к каждому старому. Чинить обрывы будет тоже не самой простой задачей.

Здесь нам пригодится паттерн «Одиночка». Одиночкой в этом случае будет телефонная станция, и все линии связи будут проходить через нее. Для добавления нового жителя потребуется только протянуть кабель от его дома до станции.

Но главное в одиночке то, что создав станцию один раз, ей может пользоваться сколько угодно людей. Смысл в том, что когда вы скажете «Мне нужна телефонная станция», вам ответят не «Нужно построить новую», а «Она находится там-то».

Абстрактная фабрика (abstract factory)

Википедия гласит:

Абстрактная фабрика — порождающий шаблон проектирования, предоставляет интерфейс для создания семейств взаимосвязанных или взаимозависимых объектов, не специфицируя их конкретных классов. Шаблон реализуется созданием абстрактного класса Factory, который представляет собой интерфейс для создания компонентов системы (например, для оконного интерфейса он может создавать окна и кнопки). Затем пишутся классы, реализующие этот интерфейс.

Пример из жизни: Расширим наш пример про двери из простой фабрики. В зависимости от ваших нужд вам понадобится деревянная дверь из одного магазина, железная дверь — из другого или пластиковая — из третьего. Кроме того, вам понадобится соответствующий специалист: столяр для деревянной двери, сварщик для железной двери и так далее. Как вы можете заметить, тут есть зависимость между дверьми.

Простыми словами: Фабрика фабрик. Фабрика, которая группирует индивидуальные, но связанные/зависимые фабрики без указания их конкретных классов.

Обратимся к коду. Используем пример про двери. Сначала у нас есть интерфейс Door и несколько его реализаций:

Ассоциативность

Применение принципа «разделяй и властвуй», «халявная» параллелизация. Если у нашего процессора 2 ядра и нам нужно рассчитать значение

1 2 3 4

. Мы можем вычислить

1 2

на первом ядре, а

3 4

— на втором, а результат сложить. Больше последовательных вычислений — больше ядер.

Будьте осторожны

• шаблоны проектирования не являются решением всех ваших проблем;
• не пытайтесь использовать их в обязательном порядке — это может привести к негативным последствиям. Шаблоны — это подходы к решению проблем, а не решения для поиска проблем;
• если их правильно использовать в нужных местах, то они могут стать спасением, а иначе могут привести к ужасному беспорядку.

Также заметьте, что примеры ниже написаны на PHP 7. Но это не должно вас останавливать, ведь принципы остаются такими же.

Замкнутость

Дает возможность перейти от попарных операций к операциям на списках

1 * 2 * 3 * 4
[ 1; 2; 3; 4 ] |> List.reduce (*)

Монады

Монады – это одно из «страшных» слов ФП. В первую очередь, из-за того, что обычно объяснения начинаются с

. Во вторую — из-за того что «монада» — это очень абстрактное понятие, не имеющее прямой аналогии с объектами реального мира. Я большой сторонник подхода «от частного к общему». Поняв практическую пользу на конкретном примере проще двигаться дальше к более полному и абстрактному определению.

Зная о «продолжениях», вернемся к аналогии с рельсами и тоннелем. Функцию, в которую передаются аргумент и два «продолжения» можно представить как развилку.

Монады vs моноиды

Монады являются моноидами, ведь как известно, монада — это всего лишь

, а

— не более чем определение моноида в контексте продолжений.

Кстати, бастион ООП — GOF тоже содержит монады. Паттерн «интерпретатор» — это так называемая свободная монада.

Моноиды

К сожалению, для объяснения моноидов не подходят простые аналогии. Приготовьтесь к математике.

На помощь приходит функция bind

let bind nextFunction optionInput =
    match optionInput with
    // передаем результат выполнения предыдущей функции в случае успеха
    | Some s -> nextFunction s
    // или просто пробрасываем значение None дальше
    | None -> None

Код пирамиды погибели может быть переписан с помощью

bind

// было
let example input =
    let x = doSomething input
    if x.IsSome then
        let y = doSomethingElse (x.Value)
        if y.IsSome then
            let z = doAThirdThing (y.Value)
            if z.IsSome then
                let result = z.Value
                Some result
            else
               None
        else 
            None 
    else
        None 

// стало
let bind f opt =
    match opt with
        | Some v -> f v
        | None -> None

let example input =
    doSomething input
        |> bind doSomethingElse
        |> bind doAThirdThing
        |> bind (fun z -> Some z)

Кстати, это называется «monadic bind». Скажите своим друзьям, любителям хаскеля, что вы знаете, что такое «monadic bind» и вас примут в тайное общество:)

Bind можно использовать для сцепления асинхронных операций (промисы в JS устроены именно так)

Нейтральный элемент

reduce

есть несколько проблем: что делать с пустыми списками? Что делать, если у нас нечетное количество элементов? Правильно, добавить в список нейтральный элемент.

Кстати, в математике часто встречается определение моноида как полугруппы с нейтральным элементом. Если нейтральный элемент отсутствует, то можно попробовать его доопределить, чтобы воспользоваться преимуществами моноида.

Но такие функции не компонуются 🙁

Одиночка (singleton)

Википедия гласит:

Одиночка — порождающий шаблон проектирования, гарантирующий, что в однопроцессном приложении будет единственный экземпляр некоторого класса, и предоставляющий глобальную точку доступа к этому экземпляру.

Пример из жизни: В стране одновременно может быть только один президент. Один и тот же президент должен действовать, когда того требуют обстоятельства. Президент здесь является одиночкой.

Простыми словами: Обеспечивает тот факт, что создаваемый объект является единственным объектом своего класса.

Вообще шаблон одиночка признан антипаттерном, необходимо избегать его чрезмерного использования. Он необязательно плох и может иметь полезные применения, но использовать его надо с осторожностью, потому что он вводит глобальное состояние в ваше приложение и его изменение в одном месте может повлиять на другие части приложения, что вызовет трудности при отладке. Другой минус — это то, что он делает ваш код связанным.

Прим. перев. Подробнее о подводных камнях шаблона одиночка читайте в нашей статье.

Перейдем к коду. Чтобы создать одиночку, сделайте конструктор приватным, отключите клонирование и расширение и создайте статическую переменную для хранения экземпляра:

final class President
{
    private static $instance;

    private function __construct()
    {
        // Прячем конструктор
    }

    public static function getInstance(): President
    {
        if (!self::$instance) {
            self::$instance = new self();
        }

        return self::$instance;
    }

    private function __clone()
    {
        // Отключаем клонирование
    }

    private function __wakeup()
    {
        // Отключаем десериализацию
    }
}

Пример использования:

$president1 = President::getInstance();
$president2 = President::getInstance();

var_dump($president1 === $president2); // true

Пример на Java.

Перевод статьи «Design Patterns for Humans»

Паттерн в психологии

Психологический паттерн отображает устойчивую модель поведения индивидов. Такие поведенческие паттерны можно увидеть, наблюдая за окружающими людьми. Все ведут себя в разнообразных обстоятельствах по-разному, но всё-таки каждый индивид придерживается собственного стиля.

Если проследить некоторые закономерности поведения, можно легче общаться с другими. Изучая поведенческие паттерны других людей, человек начинает понимать, чего можно ожидать от них, или действовать по отношению к этим личностям, зная наперёд, какую реакцию стоит ожидать.

Например, если человек по своей натуре неразговорчив, достаточно замкнутый, и предпочитает проводить свое свободное время в одиночестве или компании одного друга, то естественно, он будет себя чувствовать очень неловко в большой компании и может даже обидеться, если бы его без предупреждения затянули в большую и шумную компанию, на вечеринку, где все веселятся и знакомятся.

Следует выходить из интересов человека, чтобы предугадать, какая реакция у него может возникнуть, соответственно действовать так, чтобы никто не был обижен. Наблюдать то, как проявляются и меняются паттерны поведения людей очень полезное и интересное занятие.

В психологии существует такой вид паттернов, как гипнотические – это особые повторяющиеся словесные формулы, с помощью которых человека можно погрузить в гипнотическое трансовое состояние. Может случиться так, что человек даже не догадается о том, что его погрузили в гипноз. Такой метод широко применяется в НЛП, также компетентные манипуляторы хорошо им владеют в корыстных целях.

Если у человека случаются такие ситуации, в которых он переживает трудности взаимодействия с внешним миром, он ищет помощи у психолога. Высказав всё наболевшее, пройдя некоторое количество тестов, клиент часто может услышать от психолога, что дело заключается в его негативной модели поведения. В дальнейшем клиенту назначается курс психокоррекции.

Паттерны поведения

Естественно, не все человеческие привычки, стереотипы и способы поведения в обществе являются комфортными и позитивными. Некоторые паттерны поведения людей очень мешают их нормальной жизнедеятельности. Например, есть такой тип людей, которые очень боятся трудностей и по отношению к ним занимают тактику избегания.

Оба представленные типажа имеют негативные модели поведения, которые только мешают жить и способствуют накапливанию отрицательного опыта. С такими шаблонами поведения можно бороться, даже необходимо, но не всегда это достаточно просто. Намного легче изменить что-то, когда ясно видна причина проблем и когда человек понимает, какими внутренними ресурсами и потенциалом он владеет.

Благодаря, позитивным и комфортным моделям поведения, человек может гармонично развиваться и справляться со сложностями. Их диапазон протягивается от встряхивания рук после умывания до умения искать компромиссы.

Человек сам способен выбирать те шаблоны или стратегии поведения, которыми ему лучше пользоваться. Для кого-то – это саморазрушающие паттерны, кому-то лучше использовать манипулятивные, а кто-то предпочитает модель уверенного поведения.

Отдельного рассмотрения заслуживают паттерны поведения лидера. Лидер – это человек, на которого все хотят равняться, поэтому его модель поведения отображает его сущность, его характер и от нее зависит авторитет лидера в определенной группе.

Лидерские качества можно оценить, если непосредственно наблюдать за успешными руководителями, в частности теми, которые ответственные за всю организацию. Такие люди должны осознавать реальное положение дел и оценивать отношения, как результат взаимодействия их жизненного опыта, заимствования шаблонов от других управленцев и теоретических знаний в области управления и организации труда.

Паттерны поведения лидера отображают те качества руководителя, которыми хочется овладеть каждому подчиненному.

Примеры лидерских качеств, которые отображаются в эффективной модели поведения:

— лидеры стимулируют и применяют самоорганизующиеся процессы;

— самостоятельно овладевают необходимой информацией;

— пользуются моделями или шаблонами с целью, упрощенного отображения реальности;

— применяют в творческом процессе случай;

— развивают особенные необходимые состояния и стратегии доступа к подсознательным процессам;

— думают системно, а не механически;

— оперируют динамическими моделями;

— концентрируются на «глубинных процессах» в противоположность «поверхностным процессам»;

— свои идеи представляют в виде схем, карт, формальных внешних систем;

— их идеи соответствуют уровню их знаний.

Перемножение (логическое «и», record type в f#)

На первый взгляд это может показаться странным, однако в этом есть смысл. Если взять множество людей и множество дат, «перемножив» их мы получим множество дней рождений.

type Birthday = Person * Date

Продолжения (continuations)

Зачастую решения, закладываемые в реализацию, оказываются не достаточно гибкими. Вернемся к примеру с делением. Кто сказал, что я хочу, чтобы функция выбрасывала исключения? Может быть мне лучше подойдет «

Простая фабрика (simple factory)

Википедия гласит:

В объектно-ориентированном программировании (ООП), фабрика — это объект для создания других объектов. Формально фабрика — это функция или метод, который возвращает объекты изменяющегося прототипа или класса из некоторого вызова метода, который считается «новым».

Пример из жизни: Представьте, что вам надо построить дом, и вам нужны двери. Было бы глупо каждый раз, когда вам нужны двери, надевать вашу столярную форму и начинать делать дверь. Вместо этого вы делаете её на фабрике.

Простыми словами: Простая фабрика генерирует экземпляр для клиента, не раскрывая никакой логики.

Перейдем к коду. У нас есть интерфейс Door и его реализация:

interface Door
{
    public function getWidth(): float;
    public function getHeight(): float;
}

class WoodenDoor implements Door
{
    protected $width;
    protected $height;

    public function __construct(float $width, float $height)
    {
        $this->width = $width;
        $this->height = $height;
    }

    public function getWidth(): float
    {
        return $this->width;
    }

    public function getHeight(): float
    {
        return $this->height;
    }
}

Затем у нас есть наша DoorFactory, которая делает дверь и возвращает её:

class DoorFactory
{
    public static function makeDoor($width, $height): Door
    {
        return new WoodenDoor($width, $height);
    }
}

И затем мы можем использовать всё это:

Прототип (prototype)

Википедия гласит:

Задаёт виды создаваемых объектов с помощью экземпляра-прототипа и создаёт новые объекты путём копирования этого прототипа. Он позволяет уйти от реализации и позволяет следовать принципу «программирование через интерфейсы». В качестве возвращающего типа указывается интерфейс / абстрактный класс на вершине иерархии, а классы-наследники могут подставить туда наследника, реализующего этот тип.

Пример из жизни: Помните Долли? Овечка, которая была клонирована. Не будем углубляться, главное — это то, что здесь все вращается вокруг клонирования.

Простыми словами: Прототип создает объект, основанный на существующем объекте при помощи клонирования.

То есть он позволяет вам создавать копию существующего объекта и модернизировать его согласно вашим нуждам, вместо того, чтобы создавать объект заново.

Обратимся к коду. В PHP это может быть легко реализовано с использованием clone:

class Sheep
{
    protected $name;
    protected $category;

    public function __construct(string $name, string $category = 'Горная овечка')
    {
        $this->name = $name;
        $this->category = $category;
    }

    public function setName(string $name)
    {
        $this->name = $name;
    }

    public function getName()
    {
        return $this->name;
    }

    public function setCategory(string $category)
    {
        $this->category = $category;
    }

    public function getCategory()
    {
        return $this->category;
    }
}

Затем он может быть клонирован следующим образом:

Сложение (логическое «или», discriminated union type в f#)

type PaymentMethod =  
| Cash
| Cheque of ChequeNumber
| Card of CardType * CardNumber

Discriminated union – сложное название. Проще представлять себе этот тип как выбор. Например, вы можете на выбор оплатить товар наличными, банковским переводом или с помощью кредитной карты. Между этими вариантами нет ничего общего, кроме того, все они являются способом оплаты.

Однажды нам пригодились «объединения» для моделирования предметной модели.
Entity Framework умеет работать с такими типами из коробки, нужно лишь добавить id.

Стремление к «полноте»

Давайте рассмотрим функцию «разделить 12 на». Ее сигнатура int -> int и это ложь! Если мы подадим на вход 0, функция выбросит исключение. Вместо этого мы можем заменить сигнатуру на NonZeroInteger -> int или на int -> int option.

ФП подталкивает вас к более строгому и полному описанию сигнатур функций. Если функции не выбрасывают исключений вы можете использовать сигнатуру и систему типов в качестве документации. Вы также можете использовать систему типов для создания предметной модели (Domain Model) и описания бизнес-правил (Business Rules).

Строитель (builder)

Википедия гласит:

Строитель — порождающий шаблон проектирования, который предоставляет способ создания составного объекта. Предназначен для решения проблемы антипаттерна «Телескопический конструктор».

Пример из жизни: Представьте, что вы пришли в McDonalds и заказали конкретный продукт, например, БигМак, и вам готовят его без лишних вопросов. Это пример простой фабрики. Но есть случаи, когда логика создания может включать в себя больше шагов.

Простыми словами: Шаблон позволяет вам создавать различные виды объекта, избегая засорения конструктора. Он полезен, когда может быть несколько видов объекта или когда необходимо множество шагов, связанных с его созданием.

Давайте я покажу на примере, что такое «Телескопический конструктор». Когда-то мы все видели конструктор вроде такого:

public function __construct($size, $cheese = true, $pepperoni = true, $tomato = false, $lettuce = true)
{
}

Как вы можете заметить, количество параметров конструктора может резко увеличиться, и станет сложно понимать расположение параметров. Кроме того, этот список параметров будет продолжать расти, если вы захотите добавить новые варианты. Это и есть «Телескопический конструктор».

Перейдем к примеру в коде. Адекватной альтернативой будет использование шаблона «Строитель». Сначала у нас есть Burger, который мы хотим создать:

class Burger
{
    protected $size;

    protected $cheese = false;
    protected $pepperoni = false;
    protected $lettuce = false;
    protected $tomato = false;

    public function __construct(BurgerBuilder $builder)
    {
        $this->size = $builder->size;
        $this->cheese = $builder->cheese;
        $this->pepperoni = $builder->pepperoni;
        $this->lettuce = $builder->lettuce;
        $this->tomato = $builder->tomato;
    }
}

Затем мы берём «Строителя»:

class BurgerBuilder
{
    public $size;

    public $cheese = false;
    public $pepperoni = false;
    public $lettuce = false;
    public $tomato = false;

    public function __construct(int $size)
    {
        $this->size = $size;
    }

    public function addPepperoni()
    {
        $this->pepperoni = true;
        return $this;
    }

    public function addLettuce()
    {
        $this->lettuce = true;
        return $this;
    }

    public function addCheese()
    {
        $this->cheese = true;
        return $this;
    }

    public function addTomato()
    {
        $this->tomato = true;
        return $this;
    }

    public function build(): Burger
    {
        return new Burger($this);
    }
}

Пример использования:

$burger = (new BurgerBuilder(14))
                    ->addPepperoni()
                    ->addLettuce()
                    ->addTomato()
                    ->build();

Когда использовать: Когда может быть несколько видов объекта и надо избежать «телескопического конструктора». Главное отличие от «фабрики» — это то, что она используется, когда создание занимает один шаг, а «строитель» применяется при множестве шагов.

Примеры на Java и Python.

Типы != классы

У системы типов в ФП больше общего с теорией множеств, чем с классами из ООП.

int

– это тип. Но тип не обязательно должен быть примитивом.

Customer

– это тоже тип. Функции могут принимать на вход и возвращать функции.

int -> int

– тоже тип. Так что «тип» — это название для некоторого множества.

Типы тоже можно компоновать. Большая часть функциональных ЯП работает с алгебраической системой типов, отличающейся от системы классов в ООП.

Типы шаблонов

Шаблоны бывают следующих трех видов:

1. Порождающие.
2. Структурные.
3. Поведенческие.

Если говорить простыми словами, то это шаблоны, которые предназначены для создания экземпляра объекта или группы связанных объектов.

Википедия гласит:

Порождающие шаблоны — шаблоны проектирования, которые абстрагируют процесс инстанцирования. Они позволяют сделать систему независимой от способа создания, композиции и представления объектов. Шаблон, порождающий классы, использует наследование, чтобы изменять наследуемый класс, а шаблон, порождающий объекты, делегирует инстанцирование другому объекту.

Существуют следующие порождающие шаблоны:

Фабричный метод (fabric method)

Википедия гласит:

Фабричный метод — порождающий шаблон проектирования, предоставляющий подклассам интерфейс для создания экземпляров некоторого класса. В момент создания наследники могут определить, какой класс создавать. Иными словами, данный шаблон делегирует создание объектов наследникам родительского класса. Это позволяет использовать в коде программы не специфические классы, а манипулировать абстрактными объектами на более высоком уровне.

Пример из жизни: Рассмотрим пример с менеджером по найму. Невозможно одному человеку провести собеседования со всеми кандидатами на все вакансии. В зависимости от вакансии он должен распределить этапы собеседования между разными людьми.

Простыми словами: Менеджер предоставляет способ делегирования логики создания экземпляра дочерним классам.

Перейдём к коду. Рассмотрим приведенный выше пример про HR-менеджера. Изначально у нас есть интерфейс Interviewer и несколько реализаций для него:

Функторы

Мне не очень понравилось описание функторов у Скотта. Прочитайте лучше статью «Функторы, аппликативные функторы и монады в картинках»

Функции в качестве аргументов

Хардкодить данные считается дурным тоном в программирование, вместо этого мы передаем их в качестве параметров (аргументов методов). В ФП мы идем дальше. Почему бы не параметризировать и поведение?

Вместо функции с одним аргументом опишем функцию с двумя. Теперь не важно, что это за список и куда мы выводим данные (на консоль или в лог).

let printList anAction aList =
    for i in aList do
        anAction i

Пойдем дальше. Рассмотрим императивный пример на C#. Очевидно, что в данном коде присутствует дублирование (одинаковые циклы). Для того чтобы устранить дублирование нужно выделить общее и выделить общее в функцию:

public static int Product(int n)
{     
    int product = 1; // инициализация
    for (int i = 1; i <= n; i  ) // цикл
    {
        product *= i; // действие
    }

    return product; // возвращаемое значение
} 
 
public static int Sum(int n) 
{
    int sum = 0; // инициализация
    for (int i = 1; i <= n; i  ) // цикл
    {
        sum  = i;
    }

    return sum; // возвращаемое значение
} 

В F# для работы с последовательностями уже есть функция fold:

let product n =
    let initialValue = 1
    let action productSoFar x = productSoFar * x

[1..n] |> List.fold action initialValue 
 
let sum n =
    let initialValue = 0
    let action sumSoFar x = sumSoFar x

[1..n] |> List.fold action initialValue

Но, позвольте, в C# есть

Aggregate

, который делает тоже самое! Поздравляю, LINQ написан в функциональном стиле 🙂

Рекомендую цикл статей Эрика Липперта о монадах в C#. С десятой части начинается объяснение «монадической» природы SelectMany

Функции в качестве интерфейсов

Допустим у нас есть интерфейс.

interface IBunchOfStuff
{
    int DoSomething(int x);
    string DoSomethingElse(int x); // один интерфейс - одно дело
    void DoAThirdThing(string x); // нужно разделить
} 

Если взять

и возвести их в абсолют все интерфейсы будут содержать только одну функцию.

interface IBunchOfStuff
{
    int DoSomething(int x);
} 

Тогда это просто функция

int -> int

. В F# не нужно объявлять интерфейс, чтобы сделать функции взаимозаменяемыми, они взаимозаменяемы «из коробки» просто по своей сигнатуре. Таким образом паттерн «

» реализуется простой передачей функции в качестве аргумента другой функции:

let DoSomethingWithStuff strategy x =
    strategy x

Паттерн «

» реализуется с помощью композиции функций

let isEvenWithLogging = log >> isEven >> log  // int -> bool

Здесь автор для простоты изложения опускает вопросы семантики. При моделировании реальных предметных моделей одной сигнатуры функции не всегда достаточно.

Итак, использую одну только композицию мы можем проектировать целые приложения. Плохие новости: композиция работает только с функциями от

одного параметра

. Хорошие новости: в ФП

все функции

являются функциями от одного параметра.

Обратите внимание, сигнатура int -> int -> int не содержит скобок не случайно. Можно воспринимать сложение, как функцию от двух аргументов типа int, возвращающую значение типа int или как функцию от одного аргумента, возвращающую функциональный тип int -> int.

Такие преобразования возможны не только для компилируемых функций в программировании, но и для математических функций. Возможность такого преобразования впервые отмечена в трудах Готтлоба Фреге, систематически изучена Моисеем Шейнфинкелем в 1920-е годы, а наименование получило по имени Хаскелла Карри — разработчика комбинаторной логики, в которой сведение к функциям одного аргумента носит основополагающий характер.

Возможность преобразования функций от многих аргументов к функции от одного аргумента естественна для функциональных ЯП, поэтому компилятор не будет против, если вы передадите только одно значения для вычисления суммы.

let three = 1   2 
let three = ( ) 1 2 
let three = (( ) 1) 2 
let add1 = ( ) 1  
let three = add1 2 

Это называется частичным применением. В функциональных ЯП частичное применение

(Dependency Injection)

// эта функция требует зависимость
let getCustomerFromDatabase connection (customerId:CustomerId) =
    from connection
    select customer
    where customerId = customerId
 
// а эта уже нет
let getCustomer1 = getCustomerFromDatabase myConnection 

Функции как объекты первого класса

В отличие от «классического» ООП (первые версии C , C#, Java) функции в ФП представляют собой самостоятельные объекты и не должны принадлежать какому-либо классу. Удобно представлять функцию как волшебный железнодорожный тоннель: подаете на вход яблоки, а на выходе получаете бананы

(apple -> banana)

Синтаксис F# подчеркивает, что функции и значения равны в правах:

let z = 1
let add = x   y // int -> int ->int

Lazy initialization (отложенная инициализация)

Предположим, вы работаете в бухгалтерии и для каждого сотрудника вы должны подготавливать «отчет о выплатах». Вы можете в начале каждого месяца делать этот отчет на всех сотрудников, но некоторые отчеты могут не понадобиться, и тогда скорее всего вы примените «отложенную инициализацию», то есть вы будете подготавливать этот отчет только тогда, когда он будет запрошен начальством (вышестоящим объектом).

Dependency injection (внедрение зависимости)

Если нам требуется нанять нового человека, мы можем не создавать свой отдел кадров, а внедрить зависимость от компании по подбору персонала. Она, свою очередь, по нашему запросу «нужен человек», будет либо сама работать как отдел кадров, либо же найдет другую компанию, которая предоставит данные услуги.

«Внедрение зависимости» позволяет перекладывать и взаимозаменять отдельные части программы без потери общей функциональности.