說到函數式編程,大家可能第一印像都是學院派的那些晦澀難懂的程式碼,充滿了一大堆抽象的不知所雲的符號,似乎只有大學裡的電腦教授才會使用這些東西。在曾經的某個時代可能確實如此,但是近年來隨著技術的發展,函數式程式設計已經在實際生產中發揮巨大的作用了,越來越多的語言開始加入閉包,匿名函數等非常典型的函數式程式設計的特性,從某種程度上來講,函數式程式設計正在逐步「同化」命令式程式設計。
JavaScript 作為一種典型的多範式程式語言,這兩年隨著React的火熱,函數式程式設計的概念也開始流行起來,RxJS、cycleJS、lodashJS、underscoreJS等多種開源程式庫都使用了函數式的特性。所以下面介紹一些函數式程式設計的知識和概念。
如果你還記得一些初中的數學知識的話,函數f 的概念就是,對於輸入x 產生一個輸出y = f(x)。這便是一種最簡單的純函數。 純函數的定義是,對於相同的輸入,永遠會得到相同的輸出,而且沒有任何可觀察的副作用,也不依賴外在環境的狀態。
下面來舉個栗子,例如在Javascript中對於陣列的操作,有些是純的,有些就不是純的:
var arr = [1,2,3,4,5]; // Array.slice是纯函数,因为它没有副作用,对于固定的输入,输出总是固定的 // 可以,这很函数式 xs.slice(0,3); //=> [1,2,3] xs.slice(0,3); //=> [1,2,3] // Array.splice是不纯的,它有副作用,对于固定的输入,输出不是固定的 // 这不函数式 xs.splice(0,3); //=> [1,2,3] xs.splice(0,3); //=> [4,5] xs.splice(0,3); //=> []
在函數式程式設計中,我們想要的是 slice 這樣的純函數,而不是 splice這種每次呼叫後都會把資料弄得一團亂的函數。
為什麼函數式程式設計會排斥不純的函數呢?下面再看一個例子:
//不纯的 var min = 18; var checkage = age => age > min; //纯的,这很函数式 var checkage = age => age > 18;
在不純的版本中,checkage 這個函數的行為不僅取決於輸入的參數age,還取決於一個外部的變數min,換句話說,這個函數的行為需要由外在的系統環境決定。對於大型系統來說,這種對外部狀態的依賴是造成系統複雜性大幅提升的主要原因。
可以注意到,純的checkage 把關鍵數字18 硬編碼在函數內部,擴展性比較差,我們可以在後面的柯里化中看到如何用優雅的函數式解決這種問題。
純函數不僅可以有效降低系統的複雜度,還有很多很棒的特性,例如可緩存性:
import _ from 'lodash'; var sin = _.memorize(x => Math.sin(x)); //第一次计算的时候会稍慢一点 var a = sin(1); //第二次有了缓存,速度极快 var b = sin(1);
#函數柯里化(curry)的定義很簡單:傳遞給函數一部分參數來呼叫它,讓它回傳一個函數去處理剩下的參數。
例如對於加法函數 var add = (x, y) => x + y ,我們可以這樣進行柯里化:
//比较容易读懂的ES5写法 var add = function(x){ return function(y){ return x + y } } //ES6写法,也是比较正统的函数式写法 var add = x => (y => x + y); //试试看 var add2 = add(2); var add200 = add(200); add2(2); // =>4 add200(50); // =>250
對於加法這個極為簡單的函數來說,柯里化並沒有什麼大用處。
還記得上面那個 checkage 的函數嗎?我們可以這樣柯里化它:
var checkage = min => (age => age > min); var checkage18 = checkage(18); checkage18(20); // =>true
事實上柯里化是一種「預先載入」函數的方法,透過傳遞較少的參數,得到一個已經記住了這些參數的新函數,某種意義上講,這是一種對參數的“緩存”,是一種非常高效的編寫函數的方法:
import { curry } from 'lodash'; //首先柯里化两个纯函数 var match = curry((reg, str) => str.match(reg)); var filter = curry((f, arr) => arr.filter(f)); //判断字符串里有没有空格 var haveSpace = match(/\s+/g); haveSpace("ffffffff"); //=>null haveSpace("a b"); //=>[" "] filter(haveSpace, ["abcdefg", "Hello World"]); //=>["Hello world"]
學會了使用純函數以及如何把它柯里化之後,我們會很容易寫出這樣的「包菜式」程式碼:
#h(g(f(x)));
雖然這也是函數式的程式碼,但它依然存在某種意義上的「不優雅」。為了解決函數巢狀的問題,我們需要用到「函數組合」:
//两个函数的组合 var compose = function(f, g) { return function(x) { return f(g(x)); }; }; //或者 var compose = (f, g) => (x => f(g(x))); var add1 = x => x + 1; var mul5 = x => x * 5; compose(mul5, add1)(2); // =>15
我們定義的compose就像雙面膠一樣,可以把任何兩個純函數結合在一起。當然你也可以擴展出組合三個函數的“三面膠”,甚至是“四面膠”“N面膠”。
這個靈活的組合可以讓我們像拼積木一樣來組合函數式的程式碼:
var first = arr => arr[0]; var reverse = arr => arr.reverse(); var last = compose(first, reverse); last([1,2,3,4,5]); // =>5
有了柯里化和函數組合的基礎知識,以下介紹一下Point Free這種程式碼風格。
細心的話你可能會注意到,之前的程式碼中我們總是喜歡把一些物件自帶的方法轉換成純函數:
var map = (f, arr) => arr.map(f); var toUpperCase = word => word.toUpperCase();
這種做法是有原因的。
Point Free這種模式現在還暫且沒有中文的翻譯,有興趣的話可以看看這裡的英文解釋:
http://www.php.cn/
#用中文解釋的話大概就是,不要命名轉瞬即逝的中間變量,例如:
//这不Piont free var f = str => str.toUpperCase().split(' ');
這個函數中,我們使用了str 作為我們的中間變量,但這個中間變數除了讓程式碼變得長了一點以外是毫無意義的。以下改造這段程式碼:
var toUpperCase = word => word.toUpperCase(); var split = x => (str => str.split(x)); var f = compose(split(' '), toUpperCase); f("abcd efgh"); // =>["ABCD", "EFGH"]
這種風格能夠幫助我們減少不必要的命名,讓程式碼保持簡潔和通用。當然,為了在某些函數中寫出Point Free的風格,在程式碼的其它地方必然是不那麼Point Free的,這個地方需要自己取捨。
命令式代码的意思就是,我们通过编写一条又一条指令去让计算机执行一些动作,这其中一般都会涉及到很多繁杂的细节。
而声明式就要优雅很多了,我们通过写表达式的方式来声明我们想干什么,而不是通过一步一步的指示。
//命令式 var CEOs = []; for(var i = 0; i < companies.length; i++){ CEOs.push(companies[i].CEO) } //声明式 var CEOs = companies.map(c => c.CEO);
命令式的写法要先实例化一个数组,然后再对 companies 数组进行for循环遍历,手动命名、判断、增加计数器,就好像你开了一辆零件全部暴露在外的汽车一样,虽然很机械朋克风,但这并不是优雅的程序员应该做的。
声明式的写法是一个表达式,如何进行计数器迭代,返回的数组如何收集,这些细节都隐藏了起来。它指明的是做什么,而不是怎么做。除了更加清晰和简洁之外,map 函数还可以进一步独立优化,甚至用解释器内置的速度极快的 map 函数,这么一来我们主要的业务代码就无须改动了。
函数式编程的一个明显的好处就是这种声明式的代码,对于无副作用的纯函数,我们完全可以不考虑函数内部是如何实现的,专注于编写业务代码。优化代码时,目光只需要集中在这些稳定坚固的函数内部即可。
相反,不纯的不函数式的代码会产生副作用或者依赖外部系统环境,使用它们的时候总是要考虑这些不干净的副作用。在复杂的系统中,这对于程序员的心智来说是极大的负担。
任何代码都是要有实际用处才有意义,对于JS来说也是如此。然而现实的编程世界显然不如范例中的函数式世界那么美好,实际应用中的JS是要接触到ajax、DOM操作,NodeJS环境中读写文件、网络操作这些对于外部环境强依赖,有明显副作用的“很脏”的工作。
这对于函数式编程来说也是很大的挑战,所以我们也需要更强大的技术去解决这些“脏问题”。我会在下一篇文章中介绍函数式编程的更加高阶一些的知识,例如Functor、Monad等等概念。
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