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函數(shù)式編程初探

誕生50多年之后，函數(shù)式編程（functional programming）開(kāi)始獲得越來(lái)越多的關(guān)注。

不僅最古老的函數(shù)式語(yǔ)言L(fǎng)isp重獲青春，而且新的函數(shù)式語(yǔ)言也層出不窮，比如Erlang、Clojure、Scala,、F#等等。目前最當(dāng)紅的Python、Ruby、Javascript，對(duì)函數(shù)式編程的支持都很強(qiáng)，就連老牌的面向?qū)ο蟮腏ava、面向過(guò)程的PHP，都忙不迭地加入對(duì)匿名函數(shù)的支持。越來(lái)越多的跡象表明，函數(shù)式編程已經(jīng)不再只是學(xué)術(shù)界的最?lèi)?ài)，也開(kāi)始大踏步地在業(yè)界投入使用。

也許繼"面向?qū)ο缶幊?之后，"函數(shù)式編程"會(huì)成為下一個(gè)編程的主流范式。未來(lái)的程序員恐怕或多或少都必須懂一點(diǎn)。

但是，"函數(shù)式編程"看上去比較難，缺乏通俗的入門(mén)教程，各種介紹文章都充斥著數(shù)學(xué)符號(hào)和專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)，讓人讀了如墜云霧。就連最基本的問(wèn)題"什么是函數(shù)式編程？"，網(wǎng)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(shù)式編程"學(xué)習(xí)筆記，分享出來(lái)，與大家一起探討。內(nèi)容不涉及數(shù)學(xué)（Lambda Calculus我也不懂），也不涉及高級(jí)特性（比如lazy evaluation和currying），只求盡量簡(jiǎn)單通俗地整理和表達(dá)，我現(xiàn)在所理解的"函數(shù)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(jiǎn)單說(shuō)，"函數(shù)式編程"是一種"編程范式"，也就是如何編寫(xiě)程序的方法論。

它屬于"結(jié)構(gòu)化編程"的一種，主要思想是把運(yùn)算過(guò)程盡量寫(xiě)成一系列嵌套的函數(shù)調(diào)用。舉例來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在有這樣一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(1 + 2) * 3 - 4

傳統(tǒng)的過(guò)程式編程，可能這樣寫(xiě)：

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

函數(shù)式編程要求使用函數(shù)，我們可以把運(yùn)算過(guò)程定義為不同的函數(shù)，然后寫(xiě)成下面這樣：

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

這就是函數(shù)式編程。

二、特點(diǎn)

函數(shù)式編程具有五個(gè)鮮明的特點(diǎn)。

1、函數(shù)是"第一等公民"

所謂"第一等公民"（first class），指的是函數(shù)與其他數(shù)據(jù)類(lèi)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(shù)，傳入另一個(gè)函數(shù)，或者作為別的函數(shù)的返回值。

舉例來(lái)說(shuō)，下面代碼中的print變量就是一個(gè)函數(shù)，可以作為另一個(gè)函數(shù)的參數(shù)。

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

2、只用"表達(dá)式"，不用"語(yǔ)句"

"表達(dá)式"是一個(gè)單純的運(yùn)算過(guò)程，總是有返回值；"語(yǔ)句"是執(zhí)行某種操作，沒(méi)有返回值。函數(shù)式編程要求，只使用表達(dá)式，不使用語(yǔ)句。也就是說(shuō)，每一步都是單純的運(yùn)算，而且都有返回值。

原因是函數(shù)式編程的開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)，一開(kāi)始就是為了處理運(yùn)算，不考慮系統(tǒng)的讀寫(xiě)（I/O）。"語(yǔ)句"屬于對(duì)系統(tǒng)的讀寫(xiě)操作，所以就被排斥在外。

當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，不做I/O是不可能的。因此，編程過(guò)程中，函數(shù)式編程只要求把I/O限制到最小，不要有不必要的讀寫(xiě)行為，保持計(jì)算過(guò)程的單純性。

3、沒(méi)有"副作用"

所謂"副作用"（side effect），指的是函數(shù)內(nèi)部與外部互動(dòng)（最典型的情況，就是修改全局變量的值），產(chǎn)生運(yùn)算以外的其他結(jié)果。

函數(shù)式編程強(qiáng)調(diào)沒(méi)有"副作用"，意味著函數(shù)要保持獨(dú)立，所有功能就是返回一個(gè)新的值，沒(méi)有其他行為，尤其是不得修改外部變量的值。

4、不修改狀態(tài)

上一點(diǎn)已經(jīng)提到，函數(shù)式編程只是返回新的值，不修改系統(tǒng)變量。因此，不修改變量，也是它的一個(gè)重要特點(diǎn)。

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

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(shù)式語(yǔ)言的運(yùn)行速度比較慢，這是它長(zhǎng)期不能在業(yè)界推廣的主要原因。

5、引用透明

引用透明（Referential transparency），指的是函數(shù)的運(yùn)行不依賴(lài)于外部變量或"狀態(tài)"，只依賴(lài)于輸入的參數(shù)，任何時(shí)候只要參數(shù)相同，引用函數(shù)所得到的返回值總是相同的。
有了前面的第三點(diǎn)和第四點(diǎn)，這點(diǎn)是很顯然的。其他類(lèi)型的語(yǔ)言，函數(shù)的返回值往往與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)，不同的狀態(tài)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(shù)式編程到底有什么好處，為什么會(huì)變得越來(lái)越流行？

1、代碼簡(jiǎn)潔，開(kāi)發(fā)快速

函數(shù)式編程大量使用函數(shù)，減少了代碼的重復(fù)，因此程序比較短，開(kāi)發(fā)速度較快。

Paul Graham在《黑客與畫(huà)家》一書(shū)中寫(xiě)道：同樣功能的程序，極端情況下，Lisp代碼的長(zhǎng)度可能是C代碼的二十分之一。

如果程序員每天所寫(xiě)的代碼行數(shù)度基本相同，這就意味著，"C語(yǔ)言需要一年時(shí)間完成開(kāi)發(fā)某個(gè)功能，Lisp語(yǔ)言只需要不到三星期。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果某個(gè)新功能，Lisp語(yǔ)言完成開(kāi)發(fā)需要三個(gè)月，C語(yǔ)言需要寫(xiě)五年。"當(dāng)然，這樣的對(duì)比故意夸大了差異，但是"在一個(gè)高度競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)中，即使開(kāi)發(fā)速度只相差兩三倍，也足以使得你永遠(yuǎn)處在落后的位置。"

2、接近自然語(yǔ)言，易于理解

函數(shù)式編程的自由度很高，可以寫(xiě)出很接近自然語(yǔ)言的代碼。

前文曾經(jīng)將表達(dá)式(1 + 2) * 3 - 4，寫(xiě)成函數(shù)式語(yǔ)言：

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

對(duì)它進(jìn)行變形，不難得到另一種寫(xiě)法：

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

這基本就是自然語(yǔ)言的表達(dá)了。再看下面的代碼，大家應(yīng)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(shù)式編程不依賴(lài)、也不會(huì)改變外界的狀態(tài)，只要給定輸入?yún)?shù)，返回的結(jié)果必定相同。因此，每一個(gè)函數(shù)都可以被看做獨(dú)立單元，很有利于進(jìn)行單元測(cè)試（unit testing）和除錯(cuò)（debugging），以及模塊化組合。

4、易于"并發(fā)編程"

函數(shù)式編程不需要考慮"死鎖"（deadlock），因?yàn)樗恍薷淖兞浚愿静淮嬖?鎖"線(xiàn)程的問(wèn)題。不必?fù)?dān)心一個(gè)線(xiàn)程的數(shù)據(jù)，被另一個(gè)線(xiàn)程修改，所以可以很放心地把工作分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)線(xiàn)程，部署"并發(fā)編程"（concurrency）。

請(qǐng)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(huì)修改變量，誰(shuí)先執(zhí)行是無(wú)所謂的，所以可以放心地增加線(xiàn)程，把它們分配在兩個(gè)線(xiàn)程上完成。其他類(lèi)型的語(yǔ)言就做不到這一點(diǎn)，因?yàn)閟1可能會(huì)修改系統(tǒng)狀態(tài)，而s2可能會(huì)用到這些狀態(tài)，所以必須保證s2在s1之后運(yùn)行，自然也就不能部署到其他線(xiàn)程上了。

多核CPU是將來(lái)的潮流，所以函數(shù)式編程的這個(gè)特性非常重要。

5、代碼的熱升級(jí)

函數(shù)式編程沒(méi)有副作用，只要保證接口不變，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是外部無(wú)關(guān)的。所以，可以在運(yùn)行狀態(tài)下直接升級(jí)代碼，不需要重啟，也不需要停機(jī)。Erlang語(yǔ)言早就證明了這一點(diǎn)，它是瑞典愛(ài)立信公司為了管理電話(huà)系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的，電話(huà)系統(tǒng)的升級(jí)當(dāng)然是不能停機(jī)的。

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

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