F# の関数型プログラミングの概念の概要

  • [アーティクル]

関数型プログラミングは、関数と不変のデータの使用を重視するプログラミングのスタイルです。 F# を使用するなど、関数型プログラミングが静的な型と組み合わされる場合が、型指定される関数型プログラミングです。 関数型プログラミングでは、一般に、以下の概念が重視されています。

  • 使用する主要コンストラクトとしての関数
  • ステートメントの代わりの式
  • 変数よりも不変の値が優先
  • 命令型プログラミングよりも宣言型プログラミングが優先

このシリーズを通して、F# を使用する関数型プログラミングの概念とパターンについて説明します。 その間に、F# についても多少学習します。

用語

他のプログラミング パラダイムと同様に、関数型プログラミングには、いつかは学ぶ必要がある用語があります。 ここでは、頻繁に目にすることになる一般的用語の一部を示します。

  • 関数 - 関数は、入力が与えられたときに出力を生成するコンストラクトです。 より正式には、1 つのセットから別のセットに項目をマッピングするものです。 こうした形式的な点は、データのコレクションに対する操作を行う関数の使用時には特に、いろいろな意味で具体的なものに置き換えられます。 これが、関数型プログラミングにおける最も基本的 (および重要) な概念です。
  • 式 - 式は、値を生成するコード内のコンストラクトです。 F# では、この値は、バインドするか明示的に無視する必要があります。 式は、関数呼び出しで普通に置き換えることができます。
  • 純粋性 - 純粋性は、同じ引数に対しては戻り値が常に同じであり、その評価に副作用がないような関数のプロパティです。 純粋関数は、その引数に完全に左右されます。
  • 参照の透過性 - 参照の透過性は、プログラムの動作に影響を与えずにその出力で置き換えることができるような、式のプロパティです。
  • 不変性 - 不変性とは、その位置で値を変更できないことを意味します。 これは、その位置で変化することができる変数とは対照的です。

例

これらの中心概念について、以下の例で具体的に説明します。

機能

関数型プログラミングの最も一般的で基礎的なコンストラクトは関数です。 次に示すのは、整数に 1 を加算する単純な関数です。

let addOne x = x + 1

その型のシグネチャは次のとおりです。

val addOne: x:int -> int

このシグネチャは、"addOne は x という名前の int を受け取り、int を生成する" と読むことができます。 より正式には、addOne は整数のセットからの値を、整数のセットにマッピングしています。 -> トークンが、このマッピングを意味します。 F# では、通常、関数シグネチャを調べると、それが何を行うかが何となくわかります。

では、なぜシグネチャが重要なのでしょうか。 型指定される関数型プログラミングでは、多くの場合、関数の実装の重要度は、実際の型シグネチャよりも低くなります。 addOne が整数に値 1 を追加するという事実は実行時には重要ですが、プログラムを構築しているときには、それが int を受け取って返すという事実が、この関数を実際にどう使用するかを伝えることになります。 さらに、この関数を (その型のシグネチャに関して) 正しく使用すれば、addOne 関数の本体内だけで、すべての問題の診断を行えます。 これが、型指定される関数型プログラミングを後押しする推進力となっています。

式

式は、1 つの値へと評価されるコンストラクトです。 アクションを実行するステートメントとは対照的に、式は、値を返すアクションを実行すると考えることができます。 関数型プログラミングでは、ステートメントではなく式がほとんど常に使用されます。

前の関数 addOne について考えてみます。 addOne の本体は式です。

// 'x + 1' is an expression!
let addOne x = x + 1

これはこの式の結果であり、それが addOne 関数の結果の型を定義しています。 たとえば、この関数を構成する式は、string などの異なる型に変更できます。

let addOne x = x.ToString() + "1"

これで関数のシグネチャは次のようになります。

val addOne: x:'a -> string

F# のどの型でもそれに対して ToString() を呼び出せるため、x の型はジェネリック (自動ジェネリック化と呼ばれます) になり、結果の型は string になります。

式は、関数の本体であるだけではありません。 他の場所で使用する値を生成する式を用意できます。 一般的なものは if です。

// Checks if 'x' is odd by using the mod operator
let isOdd x = x % 2 <> 0

let addOneIfOdd input =
    let result =
        if isOdd input then
            input + 1
        else
            input

    result

if 式では、result という名前の値が生成されます。 result を完全に省略し、if 式を addOneIfOdd 関数の本体にできることに注意してください。 式について覚えておく必要がある重要なことは、式によって値が生成されるという点です。

特殊な型として unit があります。これは、返すものがない場合に使用されます。 たとえば、次の単純な関数について考えてみます。

let printString (str: string) =
    printfn $"String is: {str}"

シグネチャは次のようになります。

val printString: str:string -> unit

unit 型は、返される実際の値がないことを示します。 これが便利なのは、その作業の結果として返す値がなくても "作業を行う" 必要のあるルーチンがある場合です。

これは、同等の if コンストラクトがステートメントであり、変化する変数を使用して値が生成される場合が多い命令型プログラミングとは著しい対照をなしています。 たとえば C# では、コードは次のように記述されることがあります。

bool IsOdd(int x) => x % 2 != 0;

int AddOneIfOdd(int input)
{
    var result = input;

    if (IsOdd(input))
    {
        result = input + 1;
    }

    return result;
}

C# やその他の C スタイルの言語では、式ベースの条件付きプログラミングを可能にする三項式がサポートされることに注意してください。

関数型プログラミングでは、ステートメントを使用して値を変化させることはまれです。 一部の関数言語ではステートメントと変化がサポートされていますが、関数型プログラミングでこれらの概念を使用するのは一般的ではありません。

純粋関数

前に触れたように、純粋関数は次のような関数です。

  • 同じ入力に対しては、常に同じ値に評価されます。
  • 副作用がありません。

この文脈においては、数学関数のことを考えると参考になります。 数学では、関数は引数にのみ依存しており、副作用は一切ありません。 数学関数 f(x) = x + 1 では、f(x) の値は x の値にのみ左右されます。 関数型プログラミングの純粋関数も同様です。

純粋関数の記述時には、関数はその引数にのみ依存し、副作用が発生するアクションを実行しないようにする必要があります。

次は、グローバルで変更可能な状態に依存しているため、非純粋関数の例です。

let mutable value = 1

let addOneToValue x = x + value

addOneToValue 関数は明確に純粋ではありません。value は、いつでも 1 とは異なる値に変更できるためです。 グローバルな値に依存するこのパターンは、関数型プログラミングでは回避する必要があります。

次は、副作用が実行されるため、非純粋関数の別の例となっています。

let addOneToValue x =
    printfn $"x is %d{x}"
    x + 1

この関数はグローバルな値に依存していませんが、x の値をプログラムの出力に書き込みます。 これを行うことに本質的な問題はありませんが、関数は確かに純粋ではないことになります。 プログラムの別の部分が、出力バッファーなど、プログラム外部の何かに依存している場合は、この関数を呼び出すと、プログラムのそうした他の部分に影響を与える可能性があります。

printfn ステートメントを削除すると、この関数は純粋になります。

let addOneToValue x = x + 1

この関数は、printfn ステートメントを含む前のバージョンよりも本質的に優れているわけではありませんが、この関数で行うのは値を返すことがすべてであることが確かに保証されます。 この関数を何度呼び出しても同じ結果が生成されます。ただ値が生成されます。 純粋性によって得られる予測可能性は、多くの関数プログラマが得ようと努めているものです。

不変性

最後に挙げる、型指定される関数型プログラミングの最も基本的な概念の 1 つは不変性です。 F# では、既定ですべての値が不変です。 つまり、明示的に変更可能とマークしない限り、これらをインプレースで変化させることはできません。

実際には、変更できない値を使用して作業することは、プログラミングに対するアプローチを、"私は何かを変更する必要があります" から、"私は新しい値を生成する必要があります" に変えることを意味します。

たとえば、値に 1 を追加することは、既存の値を変更することではなく、新しい値を生成することを意味します。

let value = 1
let secondValue = value + 1

F# では、次のコードで value 関数は変更されません。代わりに、等価性チェックが実行されます。

let value = 1
value = value + 1 // Produces a 'bool' value!

一部の関数型プログラミング言語では、変化が一切サポートされていません。 F# ではサポートされていますが、値についての既定の動作ではありません。

この概念はさらに、データ構造にさえ拡張されています。 関数型プログラミングでは、セット (やさらに多くのもの) などの変更できないデータ構造の実装は、最初に予期したのとは異なるものになります。 概念上、セットに項目を 1 つ追加するなどのことではセットは変更されません。追加された値を含む新しいセットが生成されるのです。 内部的には、これは多くの場合、結果としてデータの適切な表現が得られるように、値の効率的な追跡を可能にする異なるデータ構造によって実現されます。

このスタイルでの値とデータ構造の操作は、何かを変更するすべての操作を、それの新しいバージョンを作成するかのように扱うことが求められるため、非常に重要です。 これで、プログラム内で等価性や比較可能性のようなことがらの一貫性を保てます。

次のステップ

次のセクションでは、関数型プログラミングで使用できるさまざまな方法を紹介しながら、関数について詳しく説明します。

F# での関数の使用に関するページでは、関数を深く掘り下げ、それらをさまざまなコンテキストで使用する方法を示します。

参考資料

「関数型での思考」シリーズは、F# を使用した関数型プログラミングについて学習するもう 1 つの優れたリソースです。 関数型プログラミングの基礎について、F# の機能を使用して概念を説明し、実用的で読みやすい方法で解説します。