【转/理】函数式编程思维

函数式编程初探-阮一峰

函数式编程（functional programming）

Functional Programming For The Rest of Us-Slava Akhmechet

面向函数范式编程(Functional programming)

函数式编程扫盲篇

定义

“函数式编程”是一种“编程范式”（programming paradigm），也就是如何编写程序的方法论。

In computer science, functional programming is a programming paradigm that treats computation as the evaluation of mathematical functions and avoids state and mutable data. / 函数式编程是一种编程模型，他将计算机运算看做是数学中函数的计算，并且避免了状态以及变量的概念

属于“结构化编程”，主要思想是把运算过程尽量写成一系列嵌套的函数调用。

eg: (1 + 2) * 3 - 4

Tradition:

var a = 1 + 2;

var b = a * 3;

var c = b - 4;

FP: var result = subtract(multiply(add(1,2), 3), 4);

表示一种编程思维，软件思考方式，也称面向函数编程。 编程的本质是组合，组合的本质是范畴Category，而范畴是函数的组合。

函数式编程的抽象本质则是将函数也作为一个抽象单位，而反映成代码形式，则是高阶函数。

在数学和计算机科学中，高阶函数是至少满足下列一个条件的函数:

接受一个或多个函数作为输入

输出一个函数

数学本质：

函数式编程取消了赋值模型，则使数学模型与编程模型完美地达成了统一。

特点

版本一:

函数是”第一等公民”

所谓”第一等公民”（first class），指的是函数与其他数据类型一样，处于平等地位，可以赋值给其他变量，也可以作为参数，传入另一个函数，或者作为别的函数的返回值。

举例来说，下面代码中的print变量就是一个函数，可以作为另一个函数的参数。

　　var print = function(i){ console.log(i);};

　　[1,2,3].forEach(print);

只用”表达式”，不用”语句”

“表达式”（expression）是一个单纯的运算过程，总是有返回值；”语句”（statement）是执行某种操作，没有返回值。函数式编程要求，只使用表达式，不使用语句。也就是说，每一步都是单纯的运算，而且都有返回值。

原因是函数式编程的开发动机，一开始就是为了处理运算（computation），不考虑系统的读写（I/O）。”语句”属于对系统的读写操作，所以就被排斥在外。

当然，实际应用中，不做I/O是不可能的。因此，编程过程中，函数式编程只要求把I/O限制到最小，不要有不必要的读写行为，保持计算过程的单纯性。

没有”副作用”

所谓”副作用”（side effect），指的是函数内部与外部互动（最典型的情况，就是修改全局变量的值），产生运算以外的其他结果。

函数式编程强调没有”副作用”，意味着函数要保持独立，所有功能就是返回一个新的值，没有其他行为，尤其是不得修改外部变量的值。

不修改状态

上一点已经提到，函数式编程只是返回新的值，不修改系统变量。因此，不修改变量，也是它的一个重要特点。

在其他类型的语言中，变量往往用来保存”状态”（state）。不修改变量，意味着状态不能保存在变量中。函数式编程使用参数保存状态，最好的例子就是递归。

下面的代码是一个将字符串逆序排列的函数，它演示了不同的参数如何决定了运算所处的”状态”。

　　function reverse(string) {

　　　　if(string.length == 0) {

　　　　　　return string;

　　　　} else {

　　　　　　return reverse(string.substring(1, string.length)) + string.substring(0, 1);

　　　　}

　　}

由于使用了递归，函数式语言的运行速度比较慢，这是它长期不能在业界推广的主要原因。

引用透明

引用透明（Referential transparency），指的是函数的运行不依赖于外部变量或”状态”，只依赖于输入的参数，任何时候只要参数相同，引用函数所得到的返回值总是相同的。

有了前面的第三点和第四点，这点是很显然的。其他类型的语言，函数的返回值往往与系统状态有关，不同的状态之下，返回值是不一样的。这就叫”引用不透明”，很不利于观察和理解程序的行为。

版本二（ 函数风格的编程特点：

第一等公民是函数

带有闭包的Lambdas/Anonymous函数

不变性，大部分无态处理，没有状态和变量

高并发

无副作用的调用

通过tail call实现递归的性能优化。

模式匹配(Haskell, Erlang)

懒赋值(Miranda, Haskell)

Homoiconicity(类似LISP)

OOP/FP区别

OOP主要聚焦于数据的区别，而FP则注重数据结构的一致性。

面向对象：

数据和对数据的操作紧紧耦合

对象隐藏它们操作的实现细节，其他对象调用这些操作只需要通过接口。

核心抽象模型是数据自己

核心活动是组合新对象和拓展已经存在的对象，这是通过加入新的方法实现的。

函数编程：

数据与函数是松耦合的

函数隐藏了它们的实现，语言的抽象是函数，以及将函数组合起来表达。

核心抽象模型是函数，不是数据结构

核心活动是编写新的函数。

三、意义

函数式编程到底有什么好处，为什么会变得越来越流行？

代码简洁，开发快速

函数式编程大量使用函数，减少了代码的重复，因此程序比较短，开发速度较快。

Paul Graham在《黑客与画家》一书中写道：同样功能的程序，极端情况下，Lisp代码的长度可能是C代码的二十分之一。

如果程序员每天所写的代码行数基本相同，这就意味着，”C语言需要一年时间完成开发某个功能，Lisp语言只需要不到三星期。反过来说，如果某个新功能，Lisp语言完成开发需要三个月，C语言需要写五年。”当然，这样的对比故意夸大了差异，但是”在一个高度竞争的市场中，即使开发速度只相差两三倍，也足以使得你永远处在落后的位置。”

接近自然语言，易于理解

函数式编程的自由度很高，可以写出很接近自然语言的代码。

前文曾经将表达式(1 + 2) * 3 - 4，写成函数式语言：

　　subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)

对它进行变形，不难得到另一种写法：

　　add(1,2).multiply(3).subtract(4)

这基本就是自然语言的表达了。再看下面的代码，大家应该一眼就能明白它的意思吧：

　　merge([1,2],[3,4]).sort().search(“2”)

因此，函数式编程的代码更容易理解。

更方便的代码管理

函数式编程不依赖、也不会改变外界的状态，只要给定输入参数，返回的结果必定相同。因此，每一个函数都可以被看做独立单元，很有利于进行单元测试（unit testing）和除错（debugging），以及模块化组合。

易于”并发编程”

函数式编程不需要考虑”死锁”（deadlock），因为它不修改变量，所以根本不存在”锁”线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改，所以可以很放心地把工作分摊到多个线程，部署”并发编程”（concurrency）。

请看下面的代码：

　　var s1 = Op1();

　　var s2 = Op2();

　　var s3 = concat(s1, s2);

由于s1和s2互不干扰，不会修改变量，谁先执行是无所谓的，所以可以放心地增加线程，把它们分配在两个线程上完成。其他类型的语言就做不到这一点，因为s1可能会修改系统状态，而s2可能会用到这些状态，所以必须保证s2在s1之后运行，自然也就不能部署到其他线程上了。

多核CPU是将来的潮流，所以函数式编程的这个特性非常重要。

代码的热升级

函数式编程没有副作用，只要保证接口不变，内部实现是外部无关的。所以，可以在运行状态下直接升级代码，不需要重启，也不需要停机。Erlang语言早就证明了这一点，它是瑞典爱立信公司为了管理电话系统而开发的，电话系统的升级当然是不能停机的。