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函數式編程初探

誕生50多年之后，函數式編程（functional programming）開始獲得越來越多的關注。

不僅最古老的函數式語言Lisp重獲青春，而且新的函數式語言也層出不窮，比如Erlang、Clojure、Scala,、F#等等。目前最當紅的Python、Ruby、Javascript，對函數式編程的支持都很強，就連老牌的面向對象的Java、面向過程的PHP，都忙不迭地加入對匿名函數的支持。越來越多的跡象表明，函數式編程已經不再只是學術界的最愛，也開始大踏步地在業界投入使用。

也許繼"面向對象編程"之后，"函數式編程"會成為下一個編程的主流范式。未來的程序員恐怕或多或少都必須懂一點。

但是，"函數式編程"看上去比較難，缺乏通俗的入門教程，各種介紹文章都充斥著數學符號和專用術語，讓人讀了如墜云霧。就連最基本的問題"什么是函數式編程？"，網上都搜不到易懂的回答。

下面是我（指本文作者阮一峰）的"函數式編程"學習筆記，分享出來，與大家一起探討。內容不涉及數學（Lambda Calculus我也不懂），也不涉及高級特性（比如lazy evaluation和currying），只求盡量簡單通俗地整理和表達，我現在所理解的"函數式編程"以及它的意義。

我主要參考了Slava Akhmechet的"Functional Programming For The Rest of Us"一文。

一、定義

簡單說，"函數式編程"是一種"編程范式"，也就是如何編寫程序的方法論。

它屬于"結構化編程"的一種，主要思想是把運算過程盡量寫成一系列嵌套的函數調用。舉例來說，現在有這樣一個數學表達式：

(1 + 2) * 3 - 4

傳統的過程式編程，可能這樣寫：

代碼 
var a = 1 + 2；  
  
var b = a * 3；  
  
var c = b - 4；  

函數式編程要求使用函數，我們可以把運算過程定義為不同的函數，然后寫成下面這樣：

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

這就是函數式編程。

二、特點

函數式編程具有五個鮮明的特點。

1、函數是"第一等公民"

所謂"第一等公民"（first class），指的是函數與其他數據類型一樣，處于平等地位，可以賦值給其他變量，也可以作為參數，傳入另一個函數，或者作為別的函數的返回值。

舉例來說，下面代碼中的print變量就是一個函數，可以作為另一個函數的參數。

代碼 
var print = function(i){ console.log(i);}；  
  
[1,2,3].forEach(print)；  

2、只用"表達式"，不用"語句"

"表達式"是一個單純的運算過程，總是有返回值；"語句"是執行某種操作，沒有返回值。函數式編程要求，只使用表達式，不使用語句。也就是說，每一步都是單純的運算，而且都有返回值。

原因是函數式編程的開發動機，一開始就是為了處理運算，不考慮系統的讀寫（I/O）。"語句"屬于對系統的讀寫操作，所以就被排斥在外。

當然，實際應用中，不做I/O是不可能的。因此，編程過程中，函數式編程只要求把I/O限制到最小，不要有不必要的讀寫行為，保持計算過程的單純性。

3、沒有"副作用"

所謂"副作用"（side effect），指的是函數內部與外部互動（最典型的情況，就是修改全局變量的值），產生運算以外的其他結果。

函數式編程強調沒有"副作用"，意味著函數要保持獨立，所有功能就是返回一個新的值，沒有其他行為，尤其是不得修改外部變量的值。

4、不修改狀態

上一點已經提到，函數式編程只是返回新的值，不修改系統變量。因此，不修改變量，也是它的一個重要特點。

在其他類型的語言中，變量往往用來保存"狀態"。不修改變量，意味著狀態不能保存在變量中。函數式編程使用參數保存狀態，最好的例子就是遞歸。下面的代碼是一個將字符串逆序排列的函數，它演示了不同的參數如何決定了運算所處的"狀態"。

代碼 
function reverse(string) {  
  
　　　　if(string.length == 0)  
        {  
　　　　　　return string;  
　　　　}   
        else   
        {  
           return reverse(string.substring(1, string.length)) + string.substring(0, 1);  
　　　　}  
  
　　}  

由于使用了遞歸，函數式語言的運行速度比較慢，這是它長期不能在業界推廣的主要原因。

5、引用透明

引用透明（Referential transparency），指的是函數的運行不依賴于外部變量或"狀態"，只依賴于輸入的參數，任何時候只要參數相同，引用函數所得到的返回值總是相同的。
有了前面的第三點和第四點，這點是很顯然的。其他類型的語言，函數的返回值往往與系統狀態有關，不同的狀態之下，返回值是不一樣的。這就叫"引用不透明"，很不利于觀察和理解程序的行為。

三、意義

函數式編程到底有什么好處，為什么會變得越來越流行？

1、代碼簡潔，開發快速

函數式編程大量使用函數，減少了代碼的重復，因此程序比較短，開發速度較快。

Paul Graham在《黑客與畫家》一書中寫道：同樣功能的程序，極端情況下，Lisp代碼的長度可能是C代碼的二十分之一。

如果程序員每天所寫的代碼行數度基本相同，這就意味著，"C語言需要一年時間完成開發某個功能，Lisp語言只需要不到三星期。反過來說，如果某個新功能，Lisp語言完成開發需要三個月，C語言需要寫五年。"當然，這樣的對比故意夸大了差異，但是"在一個高度競爭的市場中，即使開發速度只相差兩三倍，也足以使得你永遠處在落后的位置。"

2、接近自然語言，易于理解

函數式編程的自由度很高，可以寫出很接近自然語言的代碼。

前文曾經將表達式(1 + 2) * 3 - 4，寫成函數式語言：

代碼 
subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)  

對它進行變形，不難得到另一種寫法：

代碼 
add(1,2).multiply(3).subtract(4)  

這基本就是自然語言的表達了。再看下面的代碼，大家應該一眼就能明白它的意思吧：

代碼 
merge([1,2],[3,4]).sort().search("2")  

3、更方便的代碼管理

函數式編程不依賴、也不會改變外界的狀態，只要給定輸入參數，返回的結果必定相同。因此，每一個函數都可以被看做獨立單元，很有利于進行單元測試（unit testing）和除錯（debugging），以及模塊化組合。

4、易于"并發編程"

函數式編程不需要考慮"死鎖"（deadlock），因為它不修改變量，所以根本不存在"鎖"線程的問題。不必擔心一個線程的數據，被另一個線程修改，所以可以很放心地把工作分攤到多個線程，部署"并發編程"（concurrency）。

請看下面的代碼：

代碼 
var s1 = Op1()；  
  
var s2 = Op2()；  
  
var s3 = concat(s1, s2)；  

由于s1和s2互不干擾，不會修改變量，誰先執行是無所謂的，所以可以放心地增加線程，把它們分配在兩個線程上完成。其他類型的語言就做不到這一點，因為s1可能會修改系統狀態，而s2可能會用到這些狀態，所以必須保證s2在s1之后運行，自然也就不能部署到其他線程上了。

多核CPU是將來的潮流，所以函數式編程的這個特性非常重要。

5、代碼的熱升級

函數式編程沒有副作用，只要保證接口不變，內部實現是外部無關的。所以，可以在運行狀態下直接升級代碼，不需要重啟，也不需要停機。Erlang語言早就證明了這一點，它是瑞典愛立信公司為了管理電話系統而開發的，電話系統的升級當然是不能停機的。

posted on 2012-04-09 01:48 Snape 閱讀(360) 評論(0) 編輯收藏引用所屬分類: distributed system

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