Функциональный и процедурный подход — Python: Декларативное программирование

• Процедурное решение
• Функциональное решение
• Истина где-то посередине

Python создавался с прицелом на активное и эффективное использование встроенных коллекций. Поэтому при выборе подхода к решению задач Python склоняет программиста к определенному стилю работы. Сам язык подталкивает использовать императивный стиль в сочетании с процедурным и объектно-ориентированным программированием.

Те же коллекции в Python являются объектами и чаще всего модифицируются по месту — отсюда изменяемое состояние. Однако в языке нашлось место и для элементов функционального программирования. Его часто считают подвидом декларативного программирования, потому что функциональный код выглядит как конвейер для преобразования данных.

В этом уроке мы рассмотрим императивный и функциональный код на Python. В обоих случаях мы попробуем вывести на экран отсортированный список уникальных элементов из некоторого набора чисел.

Процедурное решение

В процедурном решении программа разбита на подпрограммы, изменяющие состояние вместо возврата значения. Код будет выглядеть так:

INPUT = [1, 2, 5, 12, 3, 5, 2, 7, 12]


def main():
    numbers = INPUT[:]
    filter_and_sort(numbers)  # Сортируем и фильтруем по месту
    for number in numbers:
        print(number)         # Выводим поэлементно в цикле


def filter_and_sort(values):
    values.sort()  # Список сортируется по месту
    previous_value = None
    index = 0
    while index < len(values):
        value = values[index]
        if value == previous_value and index > 0:
            # Элемент удаляется из списка, то есть список опять модифицируется
            values.pop(index)
        else:
            index += 1
            previous_value = value

Это решение достаточно эффективно — оно расходует память только на копию исходного списка, потом сжимает ее и сортирует по месту. У этого решения предсказуемый расход памяти, не зависящий от входных данных. А еще после применения filter_and_sort() данные можно дальше обрабатывать так же по месту, но уже другими процедурами.

Этот код эффективен, но заставляет программиста многое держать в уме. Это повышает вероятность ошибки. Например, мы можем забыть получить копию списка INPUT перед началом обработки — тогда мы случайно отсортируем сам исходный список INPUT.

Такое ошибочное изменение не тех сущностей может привести к неприятным последствиям. Причем такие ошибки не лежат на поверхности — программа выведет нужные числа, поэтому ошибка будет не видна с первого взгляда.

Функциональное решение

Напишем функциональный вариант с элементами декларативного стиля:

INPUT = [1, 2, 5, 12, 3, 5, 2, 7, 12]


def main():
    print('\n'.join(map(str, sorted(set(INPUT)))))

Код описывает, какой результат мы хотим получить:

• print() — напечатанное
• '\n'.join(...) — объединение через перевод строки
• map(str, ...) — последовательность строк
• sorted(set(...))— полученных из отсортированного множества исходных чисел

Обратите внимание, что в коде нет ни одной переменной. Ничего не нужно защитно копировать, и самого кода гораздо меньше.

Попробуем проанализировать, как этот код работает:

• Создается промежуточное множество set()
• Внутри sorted() создается список — не обычный list(), но все равно копия
• Для каждого итогового числа будет создано по строке
• Функция '\n'.join() соберет строку, размер которой будет равен сумме длин всех строк с числами и количеству переводов строк

Как видите, за лаконичность кода приходится платить ресурсами.

Даже если исходный список содержит не слишком много повторов, то промежуточные структуры займут в памяти в разы больше места, чем исходный список. Так происходит из-за множества промежуточных строк, которые заметно тяжелее исходных чисел. Получается, что потребление памяти сильно зависит от состава входных данных.

Истина где-то посередине

Функциональное решение читается хорошо, если разработчик в принципе знаком с таким стилем. Читаемость кода — важная характеристика, поэтому при небольшом объеме входных данных можно выбирать такой вариант.

Процедурное решение читается достаточно тяжело: нужно буквально выполнять код в уме. Еще в такой код сложнее вносить изменения — он слишком специфичен и завязан на текущую задачу. А еще нужно помнить, что процедура filter_and_sort() модифицирует свой аргумент.

Зато процедурный код работает эффективно и предсказуемо. Если у вас много данных с небольшим количеством повторов, то этот вариант может оказаться предпочтительным. Однако оба решения можно и улучшить, немного отступив от парадигмы.

Например, в функциональном решении можно применить цикл:

def main():
    for number in sorted(set(INPUT)):
        print(number)

Этот код не создает промежуточных строк, потому что команда print() и так умеет выводить числа. Большая строка не склеивается перед выводом — это самая заметная экономия.

Усложним ситуацию и представим, что все входные элементы уникальны. В таком случае множество будет копией исходного списка — внутри sorted() будет еще одна копия. В итоге у нас будет две копии.

Посмотрим, как еще можно улучшить императивный вариант:

def main():
    previous_value = None
    for value in sorted(INPUT):
        if previous_value is None or value != previous_value:
            previous_value = value
            print(value)

Этот вариант читается гораздо лучше, потому что мы избавились от процедуры, которая модифицирует копию исходного списка. Нет нужды копировать входной список явно — неявная копия будет в sorted(). Но теперь, если понадобится еще поработать с результатом сортировки перед печатью, то придется накопить значения в промежуточный список.

В большинстве случаев программисты на Python выбирают функциональный подход и дорабатывают его. Так они приходят к балансу — код все еще остается достаточно компактным, и работает вполне эффективно.

Дополнительные материалы

1. Функциональный подход
2. Императивный подход