OO kontra FP

Przez kilka ostatnich lat programowałem w parach z ludźmi uczącymi się Programowania Funkcyjnego, którzy manifestowali swoją niechęć do OO. To zwykle sprowadzało się do stwierdzenia pokroju: "Ooo, to za bardzo przypomina Obiekt".

---

---

Myślę, iż to wynika z przekonania, iż FP i OO są jakoś wzajemnie rozłączne. Wydaje mi się, iż wiele osób myśli, iż o ile program jest funkcyjny w całości, to nie jest już zorientowany obiektowo. Przypuszczam, iż ta opinia wynika z naturalnej konsekwencji uczenia się czegoś nowego.

Wtedy, kiedy zajmujemy się nową techniką, często mamy tendencję do odrzucania starych technik używanych przez nas wcześniej. To jest naturalne, ponieważ wierzymy, iż ta nowa technika będzie "lepsza" i stąd ta stara technika musi byś "gorsza".

W tym wpisie stawiam tezę, iż ponieważ OO i FP są ortogonalne, nie mogą być wzajemnie rozłączne. Dobry program funkcyjny może (i powinien) być zorientowany obiektowo. I dalej, dobry program zorientowany obiektowo może (i powinien) być funkcyjny. Ale żeby osiągnąć ten cel musimy bardzo ostrożnie zdefiniować nasze pojęcia.

Zamierzam tutaj przyjąć bardzo redukcjonistyczną postawę. Jest wiele poprawnych definicji OO, które obejmują bogaty zestaw pomysłów, zasad, technik, wzorców i filozofii. Zamierzam ominąć to wszystko i skupić się na podstawach. Powód dla takiego redukcjonizmu jest taki, iż te wszystkie bogactwa otaczające OO nie są dla niego specyficzne; ale są częścią bogactwa tworzenia systemu w ogólności. Tutaj, skupię się tylko na tej części OO, która jest ostateczna i nierozerwalna.

Rozważ te dwa wyrażenia:

1: f(o);
2: o.f();

Jaka jest różnica?

Jasne jest to, iż adekwatnie nie ma różnicy w znaczeniu. Cała różnica siedzi w składni. Ale jedno wyrażenie wygląda proceduralnie, a drugie wygląda na zorientowane obiektowo. A to z takiego powodu, iż wnioskujemy dodatkowe zachowanie z wyrażenia 2., którego nie znajdujemy w wyrażeniu 1. Tym dodatkowym zachowaniem w wyrażeniu jest: polimorfizm.

Kiedy widzimy wyrażenie 1. widzimy funkcję nazwaną f wołaną na obiekcie o nazwie o. Wnioskujemy, iż jest tylko jedna taka funkcja o nazwie f i iż nie jest jedną z grupy standardowych funkcji otaczających o.

Z drugiej strony, kiedy patrzymy na wyrażenie 2. widzimy obiekt o nazwie o, któremu wysyłana jest wiadomość o nazwie f. Wnioskujemy, iż tam mogą być inne rodzaje obiektów, które akceptują wiadomość nazwaną f i z tego powodu nie wiemy, która szczególna funkcja f adekwatnie zostanie wywołana. Zachowanie jest zależne od typu obiektu o tzn. f jest polimorficzna.

To spodziewanie sie polimorfizmu jest istotą programowania OO. To jest definicja redukcjonistyczna; i jest nierozerwalnie związana z OO. OO bez polimorfizmu nie jest OO. Wszystkie inne cechy OO takie, jak: enkapsulacja danych, i metody łączenia się z tymi danymi, i choćby dziedziczenie jest bardziej powiązane z wyrażeniem 1. niż z wyrażeniem 2.

Programiści C i Pascala (i do pewnego stopnia choćby programiści Fortrana i Cobola) od zawsze tworzyli systemy złożone z enkapsulowanych funkcji i struktur danych. Nie wymaga to więc języka OOPL żeby tworzyć i używać takich enkapsulowanych struktur. Enkapsulacja i choćby proste dziedziczenie jest oczywiste i naturalne w tego typu językach. (Nawet bardziej naturalne w C i Pascal niż w innych.)

A więc tą rzeczą prawdziwie odróżniającą programy OO od programów nie-OO jest polimorfizm.

Mógłbyś poskarżyć się mówiąc, iż przecież polimorfizm może być osiągnięty poprzez użycie instrukcji switch lub długich łańcuchów if/else w środku f. To prawda, więc muszę dodać jeszcze jedno ograniczenie do OO.

Mechanizm polimorfizmu nie może stworzyć zależności w kodzie od wołającego do wołanego.

Dla wyjaśnienia, spójrz jeszcze raz na te dwa wyrażenia. Wyrażenie 1: f(o), wydaje się posiadać zależność w kodzie do funkcji f. Wnioskujemy to z tego, co już wcześniej wywnioskowaliśmy, iż tam jest tylko jedna funkcja f i dlatego wołający musi coś wiedzieć o wołanym.

Natomiast, gdy patrzymy na Wyrażenie 2. o.f() wnioskujemy coś całkiem innego. Wiemy, iż może tam być wiele implementacji f, i nie wiemy, która z tych funkcji f zostanie tak naprawdę zawołana. Zatem kod źródłowy, który zawiera Wyrażenie 2. nie ma zależności kodu źródłowego funkcji, która jest wołana.

W bardziej konkretnych pojęciach oznacza to, iż moduły (pliki źródłowe), które zawierają polimorficzne wywołania do funkcji nie mogą zależeć, w jakikolwiek sposób, od modułów (plików źródłowych), które zawierają implementacje tych funkcji. Nie może tam być żadnego include czy use czy require ani żadnej innej deklaracji tego typu, która powodowałaby, iż jeden plik źródłowy zależy od drugiego.

A więc naszą redukcjonistyczną definicją OO będzie:

Technika wywoływania funkcji przy użyciu dynamicznego polimorfizmu, w której kod źródłowy wołający nie zależy od kodu źródłowego wołanego.

Znowu, zamierzam być bardzo redukcjonistyczny. FP ma bogatą historię i tradycję, która sięga daleko poza oprogramowanie. Są zasady, techniki, teorie, filozofie i pomysły, które władają tym paradygmatem. Zamierzam zignorować je wszystkie i od razu przejść do sedna, do nierozerwalnego atrybutu, który odgradza FP od każdego innego stylu. I to jest, najprościej, to:

f(a) == f(b) kiedy a == b.

W programie funkcyjnym, każdorazowo, gdy wywołujesz konkretną funkcję z konkretną wartością, otrzymujesz ten sam rezultat; nie ważne jak długo będzie działał program. To jest czasami nazywane "przejrzystością referencyjną".

Konsekwencje tego są takie, iż funkcja f nie może zmienić żadnego globalnego stanu, który wpływałby na zachowanie funkcji f. Co wiecej, o ile założymy, iż ta funkcja f reprezentuje wszystkie funkcje w systemie - wtedy wszystkie funkcje w systemie powinny być przejrzyste referencyjnie - wtedy żadna funkcja w systemie nie powinna w ogóle zmienić żadnego globalnego stanu. Żadna funkcja w systemie nie może zrobić niczego co powodowałoby to, iż inna funkcja w systemie zwraca różne wartości dla tych samych wejść.

Głębsza konsekwencja tego jest taka, iż żadna nazwana wartość nie może być kiedykolwiek zmieniona. Co znaczy, nie może być żadnego operatora przypisania.

I teraz, kiedy zastanowisz się nad tym bardzo uważnie, możesz dojść do wniosku, iż program ułożony z niczego innego jak z referencyjnie przejrzystych funkcji nie może w ogóle nic zrobić - no bo przecież każdy użyteczny program zmienia stan czegoś; nawet, gdy to jest tylko stan drukarki czy ekranu. jeżeli jednak wykluczyć sprzęt i jakiekolwiek elementy ze świata zewnętrznego z naszego ograniczenia do referencyjnej przejrzystości, wtedy wychodzi, iż zamiast tego możemy stworzyć całkiem użyteczne systemy.

Tym trikiem jest, oczywiście, rekurencja. Rozważ funkcję, która przyjmuje stanową strukturę danych jako argument. Argument zawiera całą informację o stanie, jaką funkcja używa do swojego działania. Kiedy robota jest zrobiona funkcja tworzy nową stanową strukturę danych z uaktualnionymi wartościami. Jako ostatni krok, funkcja woła samą siebie z nową stanową strukturą.

To jest tylko jeden z tych prostych trików, których program funkcyjny może używać do śledzenia zmian w stanie zewnętrznym, które wydają się nie zmieniać adekwatnie żadnego wewnętrznego stanu[1].

A więc, redukcjonistyczna definicja programowania funkcyjnego brzmi:

Przejrzystość referencyjna - żadnych ponownych przypisań wartości.

Do tej chwili już obie społeczności OO i FP zdążyły wycelować swoje armaty w moim kierunku. Redukcjonizm nie jest dobrą drogą do zdobywania przyjaciół. Ale czasami jest użyteczny. Myślę, iż w tym przypadku przydaje się do rzucenia nieco światła na mit FP kontra OO, który wydaje się krążyć tu i tam.

Wydaje się, iż te dwie redukcjonistyczne definicje, które wybrałem, są do siebie kompletnie ortogonalne. Polimorfizm i przejrzystość referencyjna nie mają ze sobą nic wspólnego. Nie ma między nimi zbieżności.


Ale ortogonalność nie znaczy wzajemnego wykluczenia (tylko spójrz na Jamesa Clerka Maxwella). Jest całkowicie możliwe zbudowanie systemu, który zawiera te oba: dynamiczny polimorfizm i referencyjną przejrzystość. To nie tylko jest możliwe, to jest pożądane!

Dlaczego to jest pożądane? Dokładnie z tych samych powodów, dla których te oba aspekty są pożądane w pojedynkę. Pożądamy systemów zbudowanych z użyciem dynamicznego polimorfizmu, ponieważ mają niską zależność. Zależności mogą być odwracane poprzez granice architektoniczne. Są testowalne poprzez Mocki, Fake'i i inne rodzaje Dublerów Testowych. Jedne moduły mogą być zmieniane bez potrzeby zmieniania na siłę innych modułów. To sprawia, iż takie systemy łatwiej zmieniać i ulepszać.

Pożądamy także systemów, które są zbudowane przy użyciu referencyjnej przejrzystości, ponieważ są one przewidywalne. Niezdolność systemu do zmiany wewnetrznego stanu czyni system łatwiejszym do zrozumienia, zmiany i poprawy. To znacznie zmniejsza szanse wystąpienia sytuacji wyścigu i innych problemów współbieżnej aktualizacji.

Podsumowanie jest następujące:

Nie ma czegoś takiego jak FP kontra OO.

FP i OO świetnie współpracują razem. Oba elementy są pożądanymi częściami współczesnych systemów. System, który jest zbudowany na zasadach obu OO i FP będzie maksymalizował elastyczność, utrzymywalność, testowalność, prostotę i stabilność. Wyrzucając jedną na korzyść drugiej tylko osłabi się strukturę systemu.

[1] Odkąd używamy maszyn z architekturą Von Neumanna, musimy założyć, iż istnieją komórki pamięci, które faktycznie zmieniają stan. W przypadku rekurencyjnego algorytmu, który opisałem; optymalizacja rekurencji ogonowej zapobiegnie tworzeniu się nowych ramek stosu i spowoduje zamiast tego ponowne użycie oryginalnej ramki stosu. Ale to naruszenie referencyjnej przejrzystości jest (zwykle) w całości ukryte i nieistotne.

---

---