Non-deterministic, side effect and Try

12th鐵人賽 kotlin software development functional programming

hungyanbin

團隊Kotlin 鐵人陣

2020-09-15 00:45:46

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今天要來談談“意外”這件事，沒有人喜歡“意外”對吧？尤其是 PM 或是 QA 的神之手，有時候就是會給你“意外”的操作出一些 bug ，而你又重現不出來時，要怎麼辦？難道只能兩手一攤說：在我這邊的環境都沒問題啊！

那如果我們工程師都不喜歡“意外”了，數學家當然也不意外。於是 functional programming 就非常重視這一塊，甚至還可以做到完全避免“意外”的發生。

Non-deterministic

deterministic 這個字的意思是“確定性的”，前面加一個 non ，當然就是反過來的意思“不確定性”。現在來一起想看看，在日常的程式開發中，有哪些東西是不確定的呢？其中一個很簡單的答案是：亂數。你可能想說，當然啊！我就是要隨機產生數字才使用亂數的，要是非常“規律”、非常“確定性”，那麼這數字也亂不起來了對吧。那這邊有一個有趣的問題，剛剛說 functional programming 不喜歡意外，我們就完全不使用 Random 了，對嗎？

還有什麼是不確定的？下面再舉幾個例子：

網路連線狀態：2G, 3G, wifi 或是沒網路都有可能發生。
檔案讀寫：空間不足、壞軌
任何其他硬體裝置：相機、GPS、藍芽...
Third party library：這裡有很多埋好的地雷等你來踩...

Side Effect

從剛剛的主題的延伸，我們就會再講到下一個概念 - Side Effect 。在之後的章節會越來越常看到這個字，事實上，不管是 code review 、架構設計的討論上、或是日常的需求開發，都需要經常談論到他。Side Effect 在字面上的翻譯是“副作用”，那麼，什麼東西算是副作用呢？

剛剛所說的 non-deterministic 就是其中一種副作用，下面來舉個例子：

fun saveImageAsFile(bitmap: Bitmap): File {
    // copy file implementation
    ....
}

輸入是一個 Bitmap （一種在 Android 的圖像格式），輸出是一個 File。乍看之下沒什麼問題，是一個 Pure function 。但是就如同剛剛所說的，如果在產生檔案的過程中，記憶體不足的話會發生什麼事？會丟出一個 Exception ！那這件事我們有辦法控制嗎？就算提前知道記憶體空間有多少了，做了一些機制來防止這個錯誤發生，但是你有辦法防止所有的 IOException 嗎？

再來舉一個常見的例子 - Date & Time。不正確的日期操作方式，也會讓 function 有 side effect：

fun createNewAccount(val name: String): Account {
    return Account(name = name, createdBy = Calendar.getInstance().timeInMillis)
}

有看出上面這段程式碼的問題了嗎？他使用了 Singleton！這種無法控制的外部因素，也會讓一個 function 有 side effect。

讓我們做個簡單的定義，這些隱性（implicit）的錯誤、外部相依、或是“意外”，不管從 function 的輸入、輸出或是函式名稱都不是很明顯就能知道的。這些不是預期中會發生的作用，就稱作 side effect。

因此，有 Side effect 的 function ，同時也不會一個 pure function。他們是一個互斥的關係： Side effect → Non-pure function , Pure function → no Side effect。

要怎麼讓時間日期沒有 side effect？使用 Dependency Injection 就可以秒解！像是上面的範例就可以改成： createNewAccount(val name: String, val time: Long)

Try

講了這麼多 side effect 所造成的問題，總得要提出解法吧？Try class 就是其中一項對付 side effect 的解法：

sealed class Try<T>{
    
    class Success<T>(val value: T): Try<T>()

    class Fail<T>(val error: Throwable): Try<T>()
}

這是一個非常簡單的類別，只有兩種 case ：不是成功就是失敗，那要怎麼使用他呢？

// 註：這只是範例，正常求平均值不會這樣寫
fun average(sum: Int, count: Int): Try<Int> {
    return try {
        Try.Success(sum / count)
    } catch (e: Throwable) {
        // divide by zero
        Try.Fail(e)
    }
}

Side effect 被 Fail 給包裝起來了，如此一來，每一組輸入都有一樣的輸出，這個 function 開始變“pure”了。那下一個問題是，如果要得到計算過後的值要怎麼辦呢？

fun foo() {
    val sum = 15
    val count = 3
    val average = average(sum, count)
    when(average) {
        is Try.Success -> print(average.value)
        is Try.Fail -> print(average.error)
    }
}

使用 when 來判斷型別就是一個最簡單的方式。等等，這樣好像變得更麻煩了吧！我一開始用 try catch 包起來不就好了嗎？這樣子使用 Try 包來包去多麻煩啊！但是別忘了，functional programming 的最大特徵是什麼？ Composition！正常來說不可能只有一個 function 這麼簡單，而是有許許多多的 function 要被組合起來！

fun foo() {
        val sum = 15
        val count = 3
        val average: Try<Int> = average(sum, count)
        // 想要對 average 的結果再做一些計算
        val result = average.map{ it + 2 }
            .map { "number: $it" }
        
        when(result) {
            is Try.Success -> print(result.value)
            is Try.Fail -> print(result.error)
        }
    }

sealed class Try<T>{

    class Success<T>(val value: T): Try<T>()

    class Fail<T>(val error: Throwable): Try<T>()
    // map 在這裡又看到他了，一樣是一對一的概念，只是這裡變成了 Try<T> -> Try<R> 的對應關係
    fun <R> map(transform: (T) -> R): Try<R> {
        return when(this) {
            is Success<T> -> Success(transform(this.value))
            is Fail -> Fail(this.error)
        }
    }
}

如果上面的 average 出了問題了，後面的兩個 map 也不會對結果有任何影響，一樣還是會回傳一開始發生的 Fail 。所以在你需要延遲處理例外狀況時， Try 是一個很好用的類別，可以把處理例外狀況放到最後，在中間完全不需要理會出了什麼狀況，利用 map 來做一些我想要的計算，同時可以放心的不需要去理會錯誤狀態。

練習時間

在處理 Try 的結果時，會覺得每次都要寫 when 很煩嗎？其實有一個常見的 operator 叫做 fold ，他是這樣使用的：

val sum = 15
val count = 3
val average: Try<Int> = average(sum, count)

average.map{ it + 2 }
    .map { "number: $it" }
    .fold(success = { value: String ->
		    print(value)
		}, fail = {error: Throwable ->
		    print(error.message)
		})

是不是簡單多了呢？相信你也猜到任務了，今天的任務就是要實作出 fold 這個 operator！提示：輸入是兩個 Function type 喔！