Referentsiaalne läbipaistvus: puhtad funktsioonid ja optimeerimine

Viidete läbipaistvus on arvutiprogrammide osade omadus. Programmi osa nimetatakse "referentsiaalselt läbipaistvaks", kui seda saab asendada selle väärtusega, mille see annab tagasi, ilma et programmi käitumine muutuks. Referentsiaalselt läbipaistvaks peetakse eelkõige puhtaid funktsioone: need peavad alati sama sisendi korral andma sama väljundi ning neil ei tohi olla mingeid kõrvalmõjusid — tegevusi, mis muudavad programmi seisundit või maailma väljaspool funktsiooni (näiteks kirjutamine kettale, muutujate muutmine või ekraanile printimine). Referentsiaalse läbipaistvuse vastand on referentsiaalne läbipaistmatus, kus funktsiooni käitumine sõltub väljaspool paiknevast seisundist või toob kaasa kõrvalmõjusid.

Selgitus ja näited

Matemaatikas on kõik funktsioonid referentsiaalselt läbipaistvad, sest matemaatiline funktsioon toimub sisendi ja väljundi vahel ilma kõrvalmõjudeta. Programmeerimises ei ole see alati nii: funktsioon võib küsida süsteemi kellaaega, genereerida juhuarve, lugeda faili või printida ekraanile teate. Need tegevused muudavad funktsiooni asendamise samaväärse konstantsusega võimatuks. Näited:

• Puhtas funktsioonis f(x) = x * 2 annab f(3) alati 6 — seda saab asendada konstantsusega 6 igas kontekstis.
• Funktsioon, mis tagastab praeguse aja, ei ole referentsiaalselt läbipaistev, sest sama kutsumine erineval ajal annab erineva tulemuse.
• Funktsioon, mis kirjutab logi faili, toob kaasa kõrvalmõju ja seetõttu ei ole puhas ega referentsiaalselt läbipaistev.

Miks see oluline on?

Referentsiaalne läbipaistvus lihtsustab mõtlemist koodi kohta ja aitab nii programmeerijatel kui ka kompilaatoritel käsitleda programmi kui ümberkirjutussüsteemi: kutsungeid saab asendada nende tulemusega ilma kõrvalmõjudest tingitud ootamatusteta. Sellel on palju praktilisi eeliseid:

• Tõendada, et programm või kood on korrektne — st et see teeb seda, mida peab tegema, sõltumata täitmise kontekstist.
• Algoritmi lihtsamaks muutmine: väikseid osi saab turvaliselt asendada ja kombineerida, mis aitab loogikat selgemaks teha.
• Koodi hooldatavuse ja muudatuste turvalisus: muutes ühe puhta funktsiooni, ei pea muretsema varjatud kõrvalmõjude pärast.
• Optimeerimine ja jõudlus: referentsiaalselt läbipaistvad osad võimaldavad mitmeid automaatseid optimeerimistehnikaid.

Optimeerimistehnikad, mis sõltuvad läbipaistvusest

Referentsiaalne läbipaistvus lubab kompilaatoritel ja käitajatel turvaliselt rakendada mitmeid optimeerimisi. Levinumad tehnikad on:

• Memoization (memoization): funktsiooni tulemuse salvestamine esimesel kutsumisel, et sama sisendi korral tagastada salvestatud vastus ilma arvutust kordamata. See töötab ainult puhaste funktsioonide puhul, kus sisend määrab tulemuse täielikult.
• Common subexpression elimination (CSE): korduvate identsete väljendite tulemuste kordusvälja arvutamise vältimine, asendades need eelnevalt arvutatud väärtusega. See on ohutu ainult siis, kui väljendid on referentsiaalselt läbipaistvad.
• Lazy evaluation ehk laisk hindamine: väljendite hinnang lükatakse edasi kuni neid tegelikult vajatakse, mis võib vähendada arvutuste hulka ja mälu kasutust. See lähenemine toetub sellele, et väljendi hinnang ei mõjuta programmi mujal (puhtus).
• Parallelization ehk paralleeltöötlus: sõltumatuid ülesandeid saab paralleelselt käivitada, kui nende vaheline käitumine ei sõltu jagatud seisundist ega too kaasa kõrvalmõjusid.

Keelte ja stiilide roll

Mõned programmeerimiskeeled ja paradigmad soodustavad või nõuavad puhtaid funktsioone ja referentsiaalset läbipaistvust (näiteks funktsionaalsed keeled). Teised keeled lubavad ja kasutavad laialt kõrvalmõjusid (näiteks imperatiivsed keeled). Praktilised lähenemised võivad kombineerida mõlema eelised: kriitilised puhtad komponendid optimeerimiseks ja lihtsuse huvides hoolikalt kontrollitud külgmõjud ning IO-teenused eraldatuna.

Piirangud ja erandid

Kuigi referentsiaalne läbipaistvus on väga kasulik, ei saa seda alati täielikult rakendada. Mõned olukorrad, kus see ei kehti või on keeruline:

• Süsteemi- või võrgupõhised IO-operatsioonid (failid, andmebaasid, võrgutaotlused) — need on loomulikult kõrvalmõjusid toovad.
• Juhuarvud ja aja/kuupäeva päringud — mitte-deterministlikud funktsioonid ei ole puhtad.
• Suurte poolikult deterministlike süsteemide optimeerimine nõuab mõnikord hübriidlahendusi (näiteks immutability, monaadid või selge külgmõjude haldus), et säilitada turvalisus ja optimeeritavus.

Kokkuvõte

Referentsiaalne läbipaistvus (ja sellega seotud puhtad funktsioonid) on tugev mõiste, mis lihtsustab programmi mõistmist, kontrolli ja optimeerimist. Kui funktsioonid on puhtad, saab neid ohutult asendada, salvestada tulemusi, eemaldada korduvaid arvutusi, rakendada laisku hindamist ja paralleelset täitmist. Praktikas tuleb tasakaalustada puhtuse nõudeid ja reaalse maailma IO- ja jõudlusnõudeid — aga isegi osaline referentsiaalne läbipaistvus aitab kirjutada selgemat, usaldusväärsemat ja kiiremalt töötavat koodi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on referentsiaalne läbipaistvus?

K: Mis on referentsiaalse läbipaistvuse vastand?

K: Kas kõik funktsioonid matemaatikas on referentsiaalselt läbipaistvad?

K: Kuidas aitab referentsiaalne läbipaistvus programmeerijaid ja kompilaatoreid?

Küsimus: Milliseid meetodeid kasutatakse selleks, et muuta kood kiiremaks või kasutada vähem mälu?

Küsimus: Kas programmeerimises on mingi erinevus funktsioonide ja matemaatikas kasutatavate funktsioonide vahel?

Otsing