Ссылочная прозрачность

Почему нас волнуют побочные эффекты функций? Ведь в природе ПО заложено изменение вещей в процессе выполнения.

Если позволить функциям, подобно командам, изменять объекты, то мы потеряем многие из их простых математических свойств. Как отмечалось при обсуждении АТД (см. лекцию 6 курса "Основы объектно-ориентированного программирования"), математики знают, что их операции над объектами не меняют объектов (Вычисление |2^1/2| не меняет числа 2). Эта неизменяемость является основным отличием мира математики и мира компьютерных вычислений.

Некоторые подходы в программировании стремятся к этой неизменяемости - Lisp в его так называемой "чистой" форме, языки функционального программирования, например язык FP, предложенный Бэкусом, другие аппликативные языки. Но в практической разработке ПО изменения объектов являются основой вычислений.

Неизменяемость объектов имеет важное практическое следствие, известное как ссылочная прозрачность (referential transparency) и определяемое следующим образом:

Определение: ссылочная прозрачность Выражение e является ссылочно-прозрачным, если возможно заменить любое его подвыражение эквивалентным значением без изменения значения e.

Если x имеет значение 3, мы можем использовать x вместо 3, и наоборот, в любом ссылочно-прозрачном выражении. (Только академики Лапуты из "Путешествий Гулливера" Свифта игнорировали ссылочную прозрачность, - они всегда носили с собой вещи, предъявляя их при каждом упоминании.) Ссылочную прозрачность называют также "заменой равного равным".

При наличии функций с побочным эффектом ссылочная прозрачность исчезает. Предположим, что класс содержит атрибут и функцию:

attr: INTEGERsneaky: INTEGER is do attr:= attr + 1 end

Значение sneaky при ее вызове всегда 0; но 0 и sneaky не являются взаимозаменяемыми, например:

attr:= 0; if attr /= 0 then print ("Нечто странное!") end

ничего не будет печатать, но напечатает " Нечто странное!" при замене 0 на sneaky.

Поддержка ссылочной прозрачности в выражениях важна, поскольку позволяет строить выводы на основе программного текста. Одна из центральных проблем конструирования ПО четко сформулирована Э. Дейкстрой ([Dijkstra 1968]). Она состоит в сложности динамического поведения (миллионы различных вычислений даже для простых программ), порождаемого статическим текстом программы. Поэтому крайне важно сохранить проверенную форму вывода, обеспечиваемую математикой. Потеря ссылочной прозрачности означает и потерю основных свойств, которые настолько укоренились в нашем сознании и практике, что мы и не осознаем этого. Например, n + n не эквивалентно 2* n, если n задано функцией, подобной sneaky:

n: INTEGER is do attr:= attr + 1; Result:= attr end

Если attr инициализировать нулем, то 2* n возвратит 2, в то время как n + n вернет 3.

Функции без побочных эффектов можно рассматривать в программных текстах как термы в обычном математическом смысле. Мы будем поддерживать четкое различение команд, изменяющих объекты, но не возвращающих результатов, и запросов, обеспечивающих информацией об объектах, но не изменяющих их.

Это же правило неформально можно выразить так: " задание вопроса не меняет ответ ".

Дата добавления: 2014-12-07