😧 🎡 🔜 機能的思考：機能的思考、パート1 👸🏼 🙋🏻 😅

あなたが木こりであると少し想像してみましょう。そして、この地域で最高のaのおかげで、あなたはキャンプで最も生産的な木こりです。しかし、ある日、誰かが現れて、伐採の新しいパラダイムであるチェーンソーの美徳を賞賛し始めます。売り手の説得力のため、チェーンソーを購入しますが、その仕組みはわかりません。あなたが信じられないほどの努力をするとき、あなたは実際にあなたの新しいパラダイムを適用して、木を引き裂くか揺すろうとします。そして、この非常に新しく絡み合ったチェーンソーはナンセンスであるとすぐに結論づけて、あなたはいつものことに戻ります-forestで森を切り倒します。そして、誰かが来て、チェーンソーを始める方法を示します。

この物語は、チェーンソーの代わりに関数型プログラミングを使用して、おなじみのように見えるかもしれません。問題は完全に新しいプログラミングパラダイムであり、新しい言語を学ぶことではありません。さらに、言語の構文は単なる詳細です。全体の微妙さは、異なる考え方を学ぶことです。これが私がここにたどり着いた理由です-チェーンソーエンジンと「機能的な」プログラマー。

機能的思考へようこそ。このシリーズは、関数型プログラミングの主題を探求しますが、関数型言語を記述するという排他的な推力は持ちません。後で説明するように、機能的なスタイルでコードを記述することは、設計、妥協、さまざまな再利用可能なコードに関係し、他の推測の基礎として機能します。可能な限り、Java（またはJavaに近い言語）の関数型プログラミングの概念を示し、他の言語に移動して、現在Javaでは利用できない可能性を強調してみます。私はジャングルにすぐには入りませんが、モナドのようなかなり珍しいことについて話します。それどころか、私は徐々にあなたを新しい考え方で導きます。

このパートと以下のいくつかのパートは、基本的な概念を含む関数型プログラミングに関連する主題のクイックツアーとして機能します。これらの概念の一部については、以下でさらに詳しく説明しますが、シリーズ全体でアプリケーションコンテキストを徐々に拡張していきます。ツアーの出発点として、問題の解決策の2つの異なる実装を紹介します。 1つは命令型スタイルで記述され、もう1つはいくつかの機能的特徴を備えています。

番号分類子

さまざまなスタイルのプログラミングについて会話を始めるには、比較するコードが必要です。最初の例として、1つの問題のバリエーションを示します。これについては、私の著書『生産的プログラマー』と、 テスト駆動設計の 第1部と第2部で説明しています。これらの2つの出版物では非常に深く考えられているため、少なくともこのコードを選択しました。これらの記事で称賛されたデザインには何も問題はありませんが、別のアプローチの合理的な正当性を以下に示します。

要件の本質は、正数が1を超える入力に到達した場合、それを完全（完全）、豊富（過剰）、または不足（不十分）に分類する必要があるということです。完全な数とは、その除数（除数としての彼自身を除く）が合計で彼に等しいものです。同様に、過剰な数の約数の合計は自分より大きく、不十分な数は少なくなります。

命令型番号分類器

上記の要件を満たす必須クラスを以下に示します。

リスト1. NumberClassifier、問題の必須解決策

public class Classifier6 { private Set<Integer> _factors; private int _number; public Classifier6(int number) { if (number < 1) throw new InvalidNumberException( "Can't classify negative numbers"); _number = number; _factors = new HashSet<Integer>>(); _factors.add(1); _factors.add(_number); } private boolean isFactor(int factor) { return _number % factor == 0; } public Set<Integer> getFactors() { return _factors; } private void calculateFactors() { for (int i = 1; i <= sqrt(_number) + 1; i++) if (isFactor(i)) addFactor(i); } private void addFactor(int factor) { _factors.add(factor); _factors.add(_number / factor); } private int sumOfFactors() { calculateFactors(); int sum = 0; for (int i : _factors) sum += i; return sum; } public boolean isPerfect() { return sumOfFactors() - _number == _number; } public boolean isAbundant() { return sumOfFactors() - _number > _number; } public boolean isDeficient() { return sumOfFactors() - _number < _number; } public static boolean isPerfect(int number) { return new Classifier6(number).isPerfect(); } }

このコードで注意すべきいくつかのポイント：

ユニットテストの大規模なセットが必要です（TDDの側面での議論のためにそれを書いたという事実のため）
クラスは多数の関連メソッドで構成され、この形式ではTDDで使用するための副作用です
パフォーマンス最適化の組み込みcalculateFactors（）メソッド。このクラスの本質は、除数をまとめて最終的に分類するための除数のコレクションです。除数はいつでもペアにできます。たとえば、入力番号が16の場合、除数2を決定するとき、2 * 8 = 16なので8も使用します。除数をペアで収集する場合、問題の数値の平方根を構成する除数を確認する必要があります。これは、 calculateFactors（）メソッドが行うこととまったく同じです。

（もう少し）機能的な分類器

同じTDD手法を使用して、分類子の代替バージョンを作成しました（リスト2を参照）。

リスト2.少し機能的な数値分類子

 public class NumberClassifier { static public boolean isFactor(int number, int potential_factor) { return number % potential_factor == 0; } static public Set<Integer> factors(int number) { HashSet<Integer> factors = new HashSet<Integer>(); for (int i = 1; i <= sqrt(number); i++) if (isFactor(number, i)) { factors.add(i); factors.add(number / i); } return factors; } static public int sum(Set<Integer> factors) { Iterator it = factors.iterator(); int sum = 0; while (it.hasNext()) sum += (Integer) it.next(); return sum; } static public boolean isPerfect(int number) { return sum(factors(number)) - number == number; } static public boolean isAbundant(int number) { return sum(factors(number)) - number > number; } static public boolean isDeficient(int number) { return sum(factors(number)) - number < number; } }

分類器の2つのバージョンの違いはほとんど認識できませんが、非常に重要です。主な違いは、コードから共有状態を意図的に削除することです。それを取り除くことは、関数型プログラミングの重要な機能の1つです。メソッド間で状態を中間結果の形で分割する代わりに（リスト1の「ファクター」フィールド）、メソッドを直接呼び出します。これにより、それを取り除くことができます。設計の観点からは、 factors（）メソッドは長くなりますが、factorsフィールドがメソッドから漏れるのを防ぎます。また、2番目のバージョンが静的メソッドのみで構成されていることにも注意してください。メソッドごとに変数を累積することはありません。これにより、 スコーピングによるカプセル化の必要性を取り除くことができます。必要なタイプのパラメーターを入力に送信すると、これらのメソッドはすべて正常に機能します。（これは純粋な関数の例であり、次のパートで説明する概念です）。

機能

関数型プログラミングは、コンピューターサイエンスで広く急速に発展している分野であり、関心が高まっています。 JVMには新しい機能言語（ScalaやClojureなど）とフレームワーク（Functional JavaまたはAkka）があり、エラーの発生が少なく、生産性が高く、読みやすく、配当が大きいなどの記述があります。関数型プログラミングの主題全体をすぐに取り上げるのではなく、いくつかの重要な概念に焦点を当て、興味深い結論でストーリーを完成させます。

関数型プログラミングの中心には関数（ドラムロールサウンド）があり、クラスと同様に、オブジェクト指向プログラミング（OOP）の主要な抽象化です。関数は処理のための「ビルディングブロック」を形成し、従来の命令型言語にはないいくつかの機能を備えています。

高階関数

高階関数は、他の関数を引数として使用し、結果として返すことができます。 Javaにはこのような構造はありません。最も近い方法は、実行に必要なメソッドのラッパーとしてクラス（通常は匿名クラス）を使用することです。 Javaにはスタンドアロンの関数（またはメソッド）がないため、他のユーザーから返されたり、パラメーターとして渡されたりすることはできません。

この機能は、少なくとも2つの理由で関数型言語では重要です。まず、高階関数を使用する機能により、言語の一部がどのように共有されるかを推測できます。たとえば、リストをバイパスして各要素に1つ以上の高次関数を適用する共通のメカニズムを構築することにより、クラス階層内のメソッドのすべてのカテゴリを取り除くことができます。（そのような構造の例をすぐに示します。）次に、関数を戻り値として使用する機能により、非常に動的で適応可能なシステムを構築するための優れた機会を作成します。

高階関数を使用して解決される問題は、関数型言語に固有のものではありません。ただし、「機能的に」考え始めると、問題を解決するアプローチが異なります。データへの安全なアクセスを提供するリスト3のメソッドの例（より大きなコードから引き抜かれた）に注目してください。

リスト3.再利用可能なコードテンプレート

 public void addOrderFrom(ShoppingCart cart, String userName, Order order) throws Exception { setupDataInfrastructure(); try { add(order, userKeyBasedOn(userName)); addLineItemsFrom(cart, order.getOrderKey()); completeTransaction(); } catch (Exception condition) { rollbackTransaction(); throw condition; } finally { cleanUp(); } }

リスト3のコードには初期化が含まれ、何らかの作業を行い、成功した場合はトランザクションを完了します。そうでない場合は、ロールバックしてリソースを解放します。もちろん、このコードのテンプレート部分は再利用できますが、原則として、構造を作成することでOOPでこれを実装します。私たちの場合、2つの「ギャングの4つのデザインパターン」パターンを組み合わせます。 テンプレートメソッドとコマンドパターンです。テンプレートメソッドは、子クラスのアルゴリズムの実装を残して、繰り返し階層のコードを継承階層に移動する必要があると想定しています。「コマンド」パターンを使用すると、よく知られている実行セマンティクスを使用して動作をクラスにカプセル化できます。リスト4は、これら2つのパターンをリスト3のコードに適用した結果を示しています。

リスト4.リファクタリングされた注文コード

 public void wrapInTransaction(Command c) throws Exception { setupDataInfrastructure(); try { c.execute(); completeTransaction(); } catch (Exception condition) { rollbackTransaction(); throw condition; } finally { cleanUp(); } } public void addOrderFrom(final ShoppingCart cart, final String userName, final Order order) throws Exception { wrapInTransaction(new Command() { public void execute() { add(order, userKeyBasedOn(userName)); addLineItemsFrom(cart, order.getOrderKey()); } }); }

リスト4では、コードの一般的な部分をwrapInTransaction（）メソッドに引き出し（セマンティクスはSpringフレームワークのTransactionTemplateの簡易バージョンに基づいています）、Commandオブジェクトを実行するコードとして渡します。 addOrderFrom（）メソッドの本質は、 匿名の内部クラスを定義して、いくつかの式をラップすることでコマンドクラスのインスタンスを作成することにあります。

チームクラスで目的の動作をラップすることは、この動作を分離する機能を含まない純粋なJavaアーティファクトデザインです。 Javaのすべての動作は、クラス内に配置する必要があります。言語設計者でさえ、そのような設計の欠陥をすぐに発見しました。過去を振り返ってみると、クラスに結び付けられていない振る舞いの存在の不可能性について考えるのは少し素朴です。 JDK 1.1は、匿名の内部クラスを追加することでこの欠陥を修正しました。少なくとも、内部構造クラスではなく、わずかな機能メソッドで多数の小さなクラスを作成するための構文シュガーを追加します。 Javaのこの側面に関する面白いエッセイとして、「名詞の王国での実行」（Steve Yegge）をお勧めします。

Javaは、1つのメソッドを定義したいだけでも、Commandクラスをインスタンス化するように強制します。クラス自体には利点はありません。フィールド、コンストラクター（標準のコンストラクターを考慮しない）、または状態が含まれていません。これは、メソッド内に実装された動作の単なるラッパーです。関数型言語では、これは高階関数を使用して解決されます。

今のところJavaを離れることにした場合、 クロージャーを使用した関数型プログラミングの理想に近づきます。リスト5は同じリファクタリングの例を示していますが、Javaの代わりにGroovyを使用しています。

リスト5.コマンドクラスの代わりにGroovyクロージャーを使用する

 def wrapInTransaction(command) { setupDataInfrastructure() try { command() completeTransaction() } catch (Exception ex) { rollbackTransaction() throw ex } finally { cleanUp() } } def addOrderFrom(cart, userName, order) { wrapInTransaction { add order, userKeyBasedOn(userName) addLineItemsFrom cart, order.getOrderKey() } }

Groovyでは、中括弧{}内のすべてがパラメーターとして渡されるコードのブロックであり、高階関数を模倣しています。舞台裏では、GroovyはTeamパターンを実装します。 Groovyの各クロージャーブロックは、実際には、クロージャーインスタンスを指す変数の後に括弧（）が置かれたときに自動的に実行されるcall（）メソッドを含む特別なClosureタイプのインスタンスです。 Groovyでは、適切なデータ構造を構築し、言語に構文糖衣を追加することで、「機能」動作に匹敵するものを実装できます。次のパートで説明するように、GroovyにはJavaの境界を超えた他の関数型プログラミング機能も含まれています。また、将来的には、クロージャーと高階関数の興味深い比較のために戻ってきます。

一流の機能

関数型言語の関数は、最初のクラスのオブジェクトと見なされます。つまり、他の言語構成要素（変数など）を使用して、可能な限り関数を表示できます。それらの存在により、かなり珍しい機能を使用することができ、潜在的な解決策について異なる考え方をするように促されます。たとえば、比較的一般的な操作（ニュアンスを伴う）を標準データ構造に適用する場合。これは、関数型言語の考え方に根本的な変化をもたらします-中間段階ではなく結果に焦点を当てます。

命令型プログラミング言語では、アルゴリズムのすべての基本的なステップについて考える必要があります。リスト1のコードはこれを示しています。数値の分類子を実装するには、除数の収集方法を正確に決定する必要があります。つまり、除数の数を決定するサイクルを実行するために特定のコードを記述する必要があります。しかし、各アイテムの操作を含むクロールリストは、かなり一般的なもののようです。リスト6で、Functional Javaフレームワークを使用してオーバーライドされた番号分類子コードを見てください。

リスト6.関数番号分類子

 public class FNumberClassifier { public boolean isFactor(int number, int potential_factor) { return number % potential_factor == 0; } public List<Integer> factors(final int number) { return range(1, number+1).filter(new F<Integer, Boolean>() { public Boolean f(final Integer i) { return number % i == 0; } }); } public int sum(List<Integer> factors) { return factors.foldLeft(fj.function.Integers.add, 0); } public boolean isPerfect(int number) { return sum(factors(number)) - number == number; } public boolean isAbundant(int number) { return sum(factors(number)) - number > number; } public boolean isDeficiend(int number) { return sum(factors(number)) - number < number; } }

リスト6とリスト2の主な違いは、2つのメソッドsum（）とfactor（）です。 sum（）は、Functional JavaのListクラスに関してfoldLeft（）メソッドを利用します。この特定の種類のリスト操作はカタモルフィズムと呼ばれ、 リストの折りたたみの一般化です。この場合、「リストの折りたたみ」とは次のことを意味します。

初期値を取得し、指定された操作をリストの最初の要素と組み合わせて適用します
結果を取得し、次の要素とともに同じ操作を適用します
リストの最後に達するまで繰り返します。

これは、要素のリストを要約するときに行うこととまったく同じであることに注意してください。0から開始し、最初の要素を追加して結果を取得し、リスト全体を巡回するまで2番目の要素を追加します。関数型Javaでは、高階関数（この例ではIntegers.add）を使用でき、それを使用します。（間違いなく、Javaには実際には高階関数はありませんが、データ構造またはそのタイプによって制限が課せられる場合に優れた類似物を書くことができます。

リスト6のもう1つの興味深い方法はfactor（）です 。これは、「中間ステップではなく、結果に焦点を当てる」というアドバイスを示しています。数の除数を決定する問題の本質は何ですか？言い換えれば、考慮される番号の前に可能なすべての番号のリストが与えられた場合、その除数である番号とそれらを区別するにはどうすればよいですか？これは、フィルタリング操作の使用を示唆しています-数値の完全なリストをフィルターで除外できます。ただし、基準に合わないものは除外します。通常、読み取ります：1から問題の番号までの範囲を取り、 f（）メソッド内のコードでリストをフィルター処理します。これは、特定のタイプと戻り値を持つクラスを作成できるFunctional Javaの方法です。

このコードは、プログラミング言語全般の傾向など、はるかに大きな概念を示しています。過去には、開発者はメモリ割り当て、ガベージコレクション、ポインターなどの多くの迷惑なことを処理する必要がありました。時間が経つにつれて、これらの言語とランタイムの多くが自分たちの面倒を見てきました。コンピューターがますます強力になるにつれて、言語とランタイムで日常的な自動化されたタスクを取り除きます。 Java開発者として、私は言語にすべてのメモリの問題を与えることに慣れています。関数型プログラミングは、これらの機能を拡張して、より具体的な詳細を含めるようにします。時間が経つにつれて、問題を解決するために必要な手順のケアに費やす時間が減り、プロセスの用語をより深く考えるようになります。シリーズを通して、これの多くの例を示します。

おわりに

関数型プログラミングは、ツールや言語のセットというよりも考え方です。この最初の部分では、単純な設計上の決定から野心的な問題の再考まで、関数型プログラミングのいくつかのトピックについて説明し始めました。単純なJavaクラスを書き直して、より「機能的」にした後、関数型プログラミングスタイルと従来の命令型スタイルを区別するトピックに飛び込みました。

ここでは、2つの重要な有望な概念も検討しました。まず、手順ではなく結果に集中します。関数型プログラミングは、解決策を見つけるのに役立つさまざまな「ビルディングブロック」が手にあるため、問題を異なる観点から提示しようとします。このシリーズを通して私が示す2番目の傾向は、プログラミング言語とランタイムへの単純なものの委任であり、プログラミングの問題のユニークな側面に集中することができます。次の部分では、今日のソフトウェア開発における関数型プログラミングとその応用の基本的な側面を引き続き検討します。

PS翻訳をレビューしてくれたCheatExに感謝します。おそらく、継続される...

機能的思考：機能的思考、パート1