ほとんどのプログラミング言語の関数が、任意の数の入力パラメーターをサポートするように設計されていますが、戻り値は1つだけである理由はありますか？

ほとんどの言語では、その制限を「回避する」ことができます。たとえば、出力パラメータを使用したり、ポインタを返したり、構造体/クラスを定義/返したりすることができます。しかし、プログラミング言語が複数の戻り値をより「自然な」方法でサポートするように設計されていないことは奇妙に思えます。

これについての説明はありますか？

Pythonなどの一部の言語は複数の戻り値をネイティブにサポートしますが、C＃などの一部の言語はベースライブラリを介してそれらをサポートします。

しかし、一般的に、それらをサポートする言語でさえ、複数の戻り値はだらしないので頻繁に使用されません：

• 複数の値を返す関数を明確に命名するのは困難です。

• 戻り値の順序を間違えるのは簡単です

  (password, username) = GetUsernameAndPassword()  
  

  （これと同じ理由で、多くの人は関数に対してあまりにも多くのパラメーターを持つことを避けます。関数が同じ型のパラメーターを2つ持つべきではないと言う人もいます！）

• OOP言語には、複数の戻り値に対するより良い代替手段であるクラスが既にあり ます。
  より厳密に型付けされており、戻り値を1つの論理ユニットとしてグループ化し、すべての用途で一貫した戻り値（のプロパティ）の名前を保持します。

彼らは一つの場所ですかなり便利では一つの関数から複数の戻り値は、別の複数の入力パラメータとして使用することができます（Pythonのような）言語です。しかし、これはクラスを使用するよりも優れた設計であるユースケースはかなりスリムです。

関数は、計算を実行して結果を返す数学的な構造であるためです。実際、いくつかのプログラミング言語の「内部」では、1つの入力と1つの出力のみに焦点が当てられています。凝集構造（またはタプル、またはMaybe）が出力になります（ただし、「単一の」戻り値は多くの値で構成されます）。

プログラマーはout、限られたシナリオのセットでのみ有用な厄介な構成要素であるパラメーターを見つけたため、これは変更されていません。他の多くのものと同様に、ニーズ/需要が存在しないため、サポートは存在しません。

数学では、「明確に定義された」関数は、特定の入力に対して1つの出力しかない関数です（補足として、単一の入力関数しか持てず、カリーを使用して意味的に複数の入力を取得できます）。

複数値の関数（正の整数の平方根など）の場合、コレクションまたは値のシーケンスを返すだけで十分です。

あなたが話している関数のタイプ（すなわち、異なるタイプの複数の値を返す関数）については、あなたが思われるよりも少し異なっているように見えます：より良い設計またはより有用なデータ構造。たとえば、*.TryParse(...)メソッドがMaybe<T>outパラメーターを使用する代わりにモナドを返した場合、私は好むでしょう。F＃でこのコードを考えてください：

let s = "1"
match tryParse s with
| Some(i) -> // do whatever with i
| None -> // failed to parse

コンパイラ/ IDE /分析のサポートは、これらの構成に対して非常に優れています。これにより、出力パラメータの「必要性」の多くが解決されます。完全に正直に言うと、これが解決策とならない他の方法は考えられません。

他のシナリオ（覚えていないもの）については、単純なTupleで十分です。

関数が戻るときにアセンブリで使用されるパラダイムを見たときに既に述べたことに加えて、関数は特定のレジスターに戻りオブジェクトへのポインターを残します。変数/複数レジスタを使用する場合、呼び出し側の関数は、その関数がライブラリ内にある場合に戻り値を取得する場所を知りません。そのため、ライブラリへのリンクが難しくなり、任意の数のリターナブルポインターを設定する代わりに、1つになりました。高レベルの言語には同じ言い訳はありません。

過去に複数の戻り値を使用していた多くのユースケースは、最新の言語機能ではもはや必要ありません。エラーコードを返したいですか？例外をスローするか、を返しますEither<T, Throwable>。オプションの結果を返したいですか？を返しますOption<T>。いくつかのタイプのいずれかを返したいですか？Either<T1, T2>またはタグ付きユニオンを返します。

また、本当に複数の値を返す必要がある場合でも、現代の言語は通常、タプルまたは何らかのデータ構造（リスト、配列、辞書）またはオブジェクトをサポートします。複数の値を単一の値にした後、それを再び複数の値に分解するのは簡単です。

以下に、複数の値を返すことをサポートしない言語の例をいくつか示します。複数の戻り値のサポートを追加することで、新しい言語機能のコストを相殺するために、どのように表現力が大幅に向上するのか、実際にはわかりません。

ルビー

def foo; return 1, 2, 3 end

one, two, three = foo

one
# => 1

three
# => 3

Python

def foo(): return 1, 2, 3

one, two, three = foo()

one
# >>> 1

three
# >>> 3

スカラ

def foo = (1, 2, 3)

val (one, two, three) = foo
// => one:   Int = 1
// => two:   Int = 2
// => three: Int = 3

ハスケル

let foo = (1, 2, 3)

let (one, two, three) = foo

one
-- > 1

three
-- > 3

Perl6

sub foo { 1, 2, 3 }

my ($one, $two, $three) = foo

$one
# > 1

$three
# > 3

単一の戻り値が非常に人気がある本当の理由は、非常に多くの言語で使用される式です。x + 1すでに単一の戻り値の観点から考えているような式を持つことができる言語では、式を断片に分割し、各断片の値を決定することで頭の式を評価するためです。見てx、その値が3（たとえば）であると判断し、1を見てから、x + 1そして、全体の値が4であることを決定するためにすべてをまとめる それは誰もが期待する表現の自然な意味です。関数が値のペアを返す場合でも、実際には2つの値の仕事をしている1つの値を返します。どういうわけか、単一のコレクションにラップされない2つの値を返す関数の考え方はあまりにも奇妙です。

人々は、関数が複数の値を返すために必要な代替のセマンティクスを扱いたくありません。たとえば、Forthのようなスタックベースの言語では、各関数が単にスタックの最上部を変更し、入力をポップし、出力を自由にプッシュするため、任意の数の戻り値を使用できます。そのため、Forthには通常の言語が持つ種類の表現がありません。

Perlは、通常はリストを返すと考えられている場合でも、関数が複数の値を返すように動作することがある別の言語です。Perlのリスト「補間」の方法は、Perlを(1, foo(), 3)知らないほとんどの人が期待するように3つの要素を持っているかもしれませんが、2つの要素、4つの要素、またはfoo()。Perlのリストは平坦化されているため、構文リストは常にリストのセマンティクスを持つとは限りません。それは単なる大きなリストの一部にすぎません。

関数が複数の値を返す別の方法は、任意の式が複数の値を持つことができ、各値が可能性を表す代替式セマンティクスを持つことです。取るx + 1再び、今度はそれが想像x二つの値は{3,4}、その後の値はx + 1{4,5}であろう、との値x + xになり、{6,8}、または多分{6,7,8} 、1つの評価でに複数の値を使用できるかどうかによって異なりますx。そのような言語は、Prologがクエリに複数の回答を与えるのと同じように、バックトラッキングを使用して実装できます。

要するに、関数呼び出しは単一の構文単位であり、単一の構文単位は、誰もが知っていて愛している式のセマンティクスにおいて単一の値を持っています。他のセマンティクスは、Perl、Prolog、Forthなどの奇妙な方法を強制します。

この回答で示唆されているように、これはハードウェアサポートの問題ですが、言語設計の伝統も役割を果たします。

関数が戻るとき、それは特定のレジスターに戻るオブジェクトへのポインターを残します

Fortran、Lisp、およびCOBOLの最初の3つの言語のうち、最初の言語では数学でモデル化された単一の戻り値が使用されました。2番目は、受信したのと同じ方法で任意の数のパラメーターをリストとして返しました（リストのアドレスである単一のパラメーターのみを渡して返したと主張することもできます）。3番目はゼロまたは1つの値を返します。

これらの最初の言語は、その後に続く言語の設計に大きな影響を与えましたが、複数の値を返すLispだけはあまり人気がありませんでした。

Cが登場したとき、Cはそれ以前の言語の影響を受けながら、ハードウェアリソースの効率的な使用に重点を置き、C言語が行ったこととそれを実装したマシンコードとの密接な関連を維持しました。「auto」変数と「register」変数などの最も古い機能の一部は、その設計哲学の結果です。

また、アセンブリ言語は80年代まで広く普及し、ついに主流の開発から段階的に廃止され始めたことも指摘する必要があります。コンパイラーを作成し、言語を作成した人々はアセンブリーに精通しており、ほとんどの場合、そこで最もうまく機能するものを維持していました。

この標準から逸脱した言語のほとんどは、あまり人気がなかったため、言語デザイナー（もちろん、彼らが知っていたことに触発された）の決定に影響を与える強力な役割を果たしたことはありません。

それでは、アセンブリ言語を調べてみましょう。最初に、Apple IIおよびVIC-20マイコンで有名な1975マイクロプロセッサである6502を見てみましょう。プログラミング言語のd明期の20、30年前の最初のコンピューターと比較すると強力でしたが、当時のメインフレームやミニコンピューターで使用されていたものと比較すると非常に弱かったです。

技術的な説明を見ると、5つのレジスタといくつかの1ビットフラグがあります。唯一の「フル」レジスタは、プログラムカウンタ（PC）でした。このレジスタは、実行される次の命令を指します。アキュムレータ（A）、2つの「インデックス」レジスタ（XおよびY）、およびスタックポインタ（SP）が存在するその他のレジスタ。

サブルーチンを呼び出すと、SPが指すメモリにPCが配置され、SPがデクリメントされます。サブルーチンから戻ることは逆に機能します。スタック上の他の値をプッシュおよびプルすることはできますが、SPに関連してメモリを参照することは困難であるため、再入可能なサブルーチンを記述することは困難でした。当然のことながら、サブルーチンの呼び出しはいつでも実行できると思いますが、このアーキテクチャではそれほど一般的ではありません。多くの場合、個別の「スタック」が作成され、パラメータとサブルーチンの戻りアドレスは別々に保たれます。

あなたは6502、インスピレーションを得たプロセッサを見れば6800を、それがSPから値を受け取ることができ、追加のレジスタ、インデックスレジスタ（IX）、など幅広いとしてSPを、持っていました。

マシン上で、リエントラントサブルーチンの呼び出しは、スタックにパラメーターをプッシュし、PCをプッシュし、PCを新しいアドレスに変更してから、サブルーチンがスタックにローカル変数をプッシュします。ローカル変数とパラメーターの数はわかっているため、それらのアドレス指定はスタックに関連して行うことができます。たとえば、2つのパラメーターを受け取り、2つのローカル変数を持つ関数は次のようになります。

SP + 8: param 2
SP + 6: param 1
SP + 4: return address
SP + 2: local 2
SP + 0: local 1

すべての一時スペースがスタック上にあるため、何度でも呼び出すことができます。

8080、TRS-80に使用し、CP / Mベースのマイコンのホストは、スタック上にSPをプッシュして、そのレジスタ間接、HLにそれをポップし、6800に似た何かをすることができます。

これは物事を実装する非常に一般的な方法であり、簡単に戻る前にすべてのローカル変数をダンプするベースポインターを使用して、より新しいプロセッサでさらにサポートされました。

問題は、どのように何かを返すのですか？プロセッサのレジスタは初期の段階ではそれほど多くありませんでした。多くの場合、アドレス指定するメモリを見つけるために、それらのいくつかを使用する必要がありました。スタック上にあるものを返すのは複雑です。すべてをポップし、PCを保存し、返されたパラメーターをプッシュし（一方、どこに保存されますか？）、PCを再度プッシュして戻る必要があります。

それで、通常行われたのは 、戻り値用に1つのレジスタを予約する。呼び出しコードは、戻り値が特定のレジスターにあることを知っていたため、保存または使用できるようになるまで保存する必要があります。

複数の戻り値を許可する言語を見てみましょう：Forth。Forthが行うことは、個別のリターンスタック（RP）とデータスタック（SP）を保持することです。そのため、関数はすべてのパラメーターをポップし、戻り値をスタックに残します。戻りスタックは独立しているため、邪魔になりませんでした。

コンピューターでの最初の6か月の間にアセンブリ言語とForthを学んだ人として、複数の戻り値は完全に正常に見えます。/mod整数除算を返すForth'sなどの演算子と残りは明らかです。一方で、初期の経験がCの心であった人がその概念を奇妙に感じる方法を簡単に見ることができます。

数学については...まあ、私は数学のクラスの関数に到達する前にコンピューターをプログラミングしていました。数学の影響を受けるCSおよびプログラミング言語のセクション全体がありますが、再度、そうでないセクション全体があります。

したがって、数学が初期の言語設計に影響を及ぼし、ハードウェアの制約が容易に実装されるものを決定し、一般的な言語がハードウェアの進化に影響を与えた要因の合流点があります（LispマシンとForthマシンプロセッサは、このプロセスのロードキルでした）。

私が知っている関数型言語は、タプルを使用して複数の値を簡単に返すことができます（動的に型付けされた言語では、リストを使用することもできます）。タプルは他の言語でもサポートされています：

f :: Int -> (Int, Int)
f x = (x - 1, x + 1)

// Even C++ have tuples - see Boost.Graph for use
std::pair<int, int> f(int x) {
  return std::make_pair(x - 1, x + 1);
}

上記の例でfは、2つのintを返す関数です。

同様に、ML、Haskell、F＃などもデータ構造を返すことができます（ほとんどの言語ではポインターが低レベルです）。このような制限がある現代のGP言語は聞いたことがありません。

data MyValue = MyValue Int Int

g :: Int -> MyValue
g x = MyValue (x - 1, x + 1)

最後に、out関数型言語でもパラメータをエミュレートできますIORef。ほとんどの言語でout変数のネイティブサポートがない理由はいくつかあります。

• 不明なセマンティクス：次の関数は0または1を出力しますか？私は0を出力する言語と1を出力する言語を知っています。両方に利点があります（パフォーマンスの面でも、プログラマーのメンタルモデルに一致する点でも）。

  int x;
  
  int f(out int y) {
    x = 0;
    y = 1;
    printf("%d\n", x);
  }
  f(out x);
  

• ローカライズされていない効果：上記の例のように、長いチェーンを持つことができ、最も内側の関数がグローバル状態に影響することがわかります。一般に、関数の要件が何であるか、および変更が合法であるかどうかを推論するのが難しくなります。現代のほとんどのパラダイムは、効果のローカライズ（OOPでのカプセル化）または副作用の排除（関数型プログラミング）を試みるため、これらのパラダイムと矛盾します。

• 冗長であること：タプルがある場合、outパラメーターの機能の99 ％と慣用的な使用の100％があります。ミックスにポインターを追加すると、残りの1％をカバーします。

タプル、クラス、またはoutパラメーターを使用して複数の値を返すことができない1つの言語の名前付けに問題があります（ほとんどの場合、2つ以上のこれらのメソッドが許可されています）。

のような表現が原因だと思います(a + b[i]) * c。

式は「特異な」値で構成されます。したがって、特異値を返す関数は、上記の4つの変数のいずれかの代わりに、式で直接使用できます。マルチ出力関数は、式では少なくとも多少不器用です。

私は個人的にはこれがあると感じ特異戻り値に関する特別だもの。式で使用する複数の戻り値のいずれかを指定するための構文を追加することでこれを回避できますが、簡潔で誰にとっても馴染みのある古き良き数学表記よりも不器用です。

構文が少し複雑になりますが、実装レベルで許可しない正当な理由はありません。他のいくつかの応答とは異なり、複数の値が返される場合（可能な場合）、より明確で効率的なコードになります。X と Y、または「成功」ブール値と有用な値を返すことを望む頻度を数えられません。

関数がサポートされているほとんどの言語では、そのタイプの変数を使用できる場所であればどこでも関数呼び出しを使用できます。

x = n + sqrt(y);

関数が複数の値を返す場合、これは機能しません。Pythonなどの動的に型付けされた言語を使用すると、これを行うことができますが、ほとんどの場合、方程式の途中でタプルを使用して適切な処理を実行できない限り、ランタイムエラーがスローされます。

Harveyの答えを基にしたいだけです。私はもともとニューステックサイト（arstechnica）でこの質問を見つけ、この質問の核心に本当に答えていると感じ、他のすべての答えには欠けているという素晴らしい説明を見つけました（Harveyを除く）

関数からの単一リターンの起源は、マシンコードにあります。マシンコードレベルでは、関数はA（アキュムレータ）レジスタに値を返すことができます。他の戻り値はすべてスタック上にあります。

2つの戻り値をサポートする言語は、1つを返すマシンコードとしてコンパイルし、2番目の値をスタックに配置します。言い換えると、2番目の戻り値は、いずれにしてもoutパラメーターとして使用されます。

割り当てが一度に1つの変数である理由を尋ねるようなものです。たとえば、a、b = 1、2を許可する言語を使用できます。しかし、マシンコードレベルでは、a = 1に続いてb = 2になります。

プログラミング言語の構造に、コードがコンパイルされて実行されたときに実際に何が起こるかについて、ある程度の類似性を持たせることには、いくつかの理論的根拠があります。

それは数学から始まりました。「式変換」にちなんで命名されたFORTRANは、最初のコンパイラでした。FORTRANは、物理学/数学/工学を指向していた。

COBOLは、ほぼ古いものですが、明示的な戻り値がありませんでした。サブルーチンはほとんどありませんでした。それ以来、ほとんどがinertia性でした。

たとえば、Goには複数の戻り値があり、結果は "out"パラメーターを使用するよりも簡潔であいまいではありません。少し使用した後、非常に自然で効率的です。すべての新しい言語について、複数の戻り値を考慮することをお勧めします。たぶん古い言語にも。

おそらく、プロセッサマシン命令で関数呼び出しが行われるというレガシーと、すべてのプログラミング言語がマシンコードから派生しているという事実（たとえば、C->アセンブリ->マシン）に関係があると思われます。

プロセッサが関数呼び出しを実行する方法

最初のプログラムはマシンコードで記述され、その後アセンブリされました。プロセッサは、現在のすべてのレジスタのコピーをスタックにプッシュすることにより、関数呼び出しをサポートしました。関数から戻ると、保存されたレジスタのセットがスタックからポップされます。通常、返される関数が値を返すことができるように、1つのレジスタは変更されません。

さて、プロセッサがこのように設計された理由については...リソースの制約の問題である可能性があります。