純粋関数

2025年11月7日

純粋関数

英語表記: Pure Functions

概要

純粋関数（Pure Functions）とは、プログラミングパラダイムの中でも「関数型プログラミング」の根幹をなす、極めて重要な基本概念です。これは、「同じ入力（引数）を与えられた際には、いつ実行しても必ず同じ出力（戻り値）を返す」という特性を持つ関数のことを指します。さらに、純粋関数は「副作用」（Side Effect）を一切持たず、プログラムの外部状態や環境に影響を与えないことが厳しく求められます。

詳細解説

純粋関数という概念は、プログラミングパラダイム（命令型、関数型、オブジェクト指向）の中で、特に「関数型プログラミング」の信頼性、予測可能性、そして並行処理の安全性を高めるために生まれました。関数型プログラミングでは、プログラム全体を、状態を持たず、お互いに影響を与え合わない小さな純粋関数の組み合わせとして構築することを目指します。

1. 参照透過性の保証

純粋関数が満たすべき最も重要な特性が「参照透過性」（Referential Transparency）です。この性質は、特定の関数呼び出しを、その関数が実際に返した結果の値で置き換えても、プログラム全体の動作や結果が変わらないことを意味します。

例えば、「$add(2, 3)$」という関数呼び出しが常に「$5$」を返す純粋関数であれば、プログラム中のどこであっても $add(2, 3)$ の箇所を直接 $5$ に置き換えても、何の問題も発生しません。これは、私たちが数学で扱う関数と全く同じ振る舞いです。

この参照透過性が保証されることによって、開発者はコードの動作を数学的に検証できるようになります。「この入力に対してはこの出力しかない」と確信できるため、デバッグやテストが極めて容易になります。関数型プログラミングが、複雑な大規模システムにおいて高い信頼性を実現できるのは、この参照透過性のおかげだと言っても過言ではありません。

2. 副作用の徹底的な排除

純粋関数のもう一つの定義は、「副作用を一切持たない」ことです。副作用とは、関数が戻り値を返すこと以外に、外部環境に何らかの影響を与えるすべての操作を指します。命令型プログラミングでは、状態（変数）の変更が許容されますが、純粋関数はこれを厳しく禁じます。

代表的な副作用の例としては、以下のようなものが挙げられます。

外部I/O操作: ファイルへの書き込み、データベースの更新、画面への出力（printなど）。
グローバル変数の変更: 関数外で定義された変数の値を書き換えること。
外部環境への依存: 現在時刻の取得や乱数の生成など、実行タイミングによって結果が変わる可能性のある操作。

これらの副作用を排除することで、私たちは関数を安心して利用できるようになります。もし関数がグローバル変数を勝手に変更したり、ファイルを書き換えたりする可能性があると、その関数を呼び出す前に「外部の状態はどうなっているか？」を常にチェックしなければならず、コードの追跡が非常に困難になってしまいます。

3. 関数型プログラミングにおける役割

プログラミングパラダイム（命令型, 関数型, オブジェクト指向）の中で、関数型プログラミングは「状態を持たないこと」を理想としています。純粋関数は、このパラダイムにおける最小の部品であり、システム全体の安定性を保証する役割を担っています。

特に現代のシステム開発では、複数の処理を同時に実行する「並行処理」が不可欠です。命令型プログラミングで副作用を持つ関数を並行実行すると、複数の関数が同時に一つの共有データを書き換えようとして予期せぬエラー（競合状態）が発生しがちです。しかし、純粋関数は外部の状態を変更しないため、いくら並行して実行しても互いに干渉することがなく、安全性が飛躍的に向上します。これは、関数型プログラミングが現代の要件に非常に適しているとされる大きな理由の一つです。

具体例・活用シーン

純粋関数と副作用を持つ関数の違いを、日常生活のアナロジーで考えてみましょう。この対比を理解することで、なぜ関数型プログラミングが信頼性を重視するのかがよく分かります。

【アナロジー：電子レンジ vs. 銀行の窓口】

純粋関数を理解する上で、最も身近な比喩は「完璧に動作する電子レンジ」です。

純粋関数（電子レンジ）:
- 入力（引数）：凍ったご飯（データ）、加熱時間（設定）。
- 出力（戻り値）：温かいご飯。
- この電子レンジは、あなたがいつ使っても、誰が使っても、同じご飯と時間設定であれば、必ず同じ温度の温かいご飯を出力します。
- そして、この電子レンジがご飯を温めたからといって、家の電気メーターが大きく変動したり、隣の部屋のテレビが消えたり（外部の状態を変更したり）することはありません。入力と出力の関係が完結しており、参照透過性が保証されています。
副作用を持つ関数（銀行の窓口）:
- 入力（引数）：あなたの通帳、引き出し額。
- 出力（戻り値）：現金。
- 一見、入力と出力の関係は明確に見えますが、この操作は「口座残高」という外部の状態を確実に変更します。これが副作用です。
- さらに、もし残高が足りなかった場合、入力（引き出し額）は同じでも、結果として「現金」ではなく「エラーメッセージ」が返されるかもしれません。結果が外部の状態（残高）に依存するため、参照透過性が失われているのです。