函數(shù)式編程初探

函數(shù)式編程初探誕生50多年之后，函數(shù)式編程（functionalprogramming）開始獲得越來越多的關(guān)注。不僅最古老的函數(shù)式語言Lisp重獲青春，而且新的函數(shù)式語言層出不窮，比如Erlang、clojure、Scala,、F#等等。目前最當紅的Python、Ruby、Javascript，對函數(shù)式編程的支持都很強，就連老牌的面向?qū)ο蟮腏ava、面向過程的PHP，都忙不迭地加入對匿名函數(shù)的支持。越來越多的跡象表明，函數(shù)式編程已經(jīng)不再是學術(shù)界的最愛，開始大踏步地在業(yè)界投入實用。也許繼"面向?qū)ο缶幊?之后，"函數(shù)式編程"會成為下一個編程的主流范式（paradigm）。未來的程序員恐怕或多或少都必須懂一點。但是，"函數(shù)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(shù)學符號和專用術(shù)語，讓人讀了如墜云霧。就連最基本的問題"什么是函數(shù)式編程"，網(wǎng)上都搜不到易懂的回答。下面是我的"函數(shù)式編程"學習筆記，分享出來，與大家一起探討。內(nèi)容不涉及數(shù)學（LambdaCalculus我也不懂），也不涉及高級特性（比如lazyevaluation和currying），只求盡量簡單通俗地整理和表達，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SlavaAkhmechet的"FunctionalProgrammingForTheRestofUs"。一、定義簡單說，"函數(shù)式編程"是一種"編程范式"（programmingparadigm），也就是如何編寫程序的方法論。它屬于"結(jié)構(gòu)化編程"的一種，主要思想是把運算過程盡量寫成一系列嵌套的函數(shù)調(diào)用。舉例來說，現(xiàn)在有這樣一個數(shù)學表達式：(1+2)*3-4傳統(tǒng)的過程式編程，可能這樣寫：vara=1+2;varb=a*3;varc=b-4;函數(shù)式編程要求使用函數(shù)，我們可以把運算過程定義為不同的函數(shù)，然后寫成下面這樣：varresult=subtract(multiply(add(1,2)，3)，4);這就是函數(shù)式編程。二、特點函數(shù)式編程具有五個鮮明的特點。1.函數(shù)是"第一等公民"所謂"第一等公民"（firstclass），指的是函數(shù)與其他數(shù)據(jù)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(shù)，傳入另一個函數(shù)，或者作為別的函數(shù)的返回值。舉例來說，下面代碼中的print變量就是一個函數(shù)，可以作為另一個函數(shù)的參數(shù)。varprint=function(i){console.log(i);};

[1,2,3].forEach(print);2.只用"表達式"，不用"語句""表達式"（expression）是一個單純的運算過程，總是有返回值；"語句"（statement）是執(zhí)行某種操作，沒有返回值。函數(shù)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(shù)式編程的開發(fā)動機，一開始就是為了處理運算（computation），不考慮系統(tǒng)的讀寫（I/O）。"語句"屬于對系統(tǒng)的讀寫操作，所以就被排斥在外。當然，實際應(yīng)用中，不做I/O是不可能的。因此，編程過程中，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行為，保持計算過程的單純性。3.沒有"副作用"所謂"副作用"（sideeffect），指的是函數(shù)內(nèi)部與外部互動（最典型的情況，就是修改全局變量的值），產(chǎn)生運算以外的其他結(jié)果。函數(shù)式編程強調(diào)沒有"副作用"，意味著函數(shù)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(tài)上一點已經(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，也是它的一個重要特點。在其他類型的語言中，變量往往用來保存"狀態(tài)"（state）。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)如何決定了運算所處的"狀態(tài)"。functionreverse(string){

if(string.length==0){

returnstring;

}else{

returnreverse(string.substring(1,string.length))+string.substring(0,1);

}

}由于使用了遞歸，函數(shù)式語言的運行速度比較慢，這是它長期不能在業(yè)界推廣的主要原因。5.引用透明引用透明（Referentialtransparency），指的是函數(shù)的運行不依賴于外部變量或"狀態(tài)"，只依賴于輸入的參數(shù)，任何時候只要參數(shù)相同，引用函數(shù)所得到的返回值總是相同的。有了前面的第三點和第四點，這點是很顯然的。其他類型的語言，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，為什么會變得越來越流行？1.代碼簡潔，開發(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，開發(fā)速度較快。PaulGraham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(shù)度基本相同，這就意味著，"C語言需要一年時間完成開發(fā)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(fā)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(fā)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(shù)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(jīng)將表達式(1+2)*3-4，寫成函數(shù)式語言：subtract(multiply(add(1,2)，3)，4)對它進行變形，不難得到另一種寫法：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(yīng)該一眼就能明白它的意思吧：merge([1,2],[3,4]).sort().search("2")因此，函數(shù)式編程的代碼更容易理解。3.更方便的代碼管理函數(shù)式編程不依賴、也不會改變外界的狀態(tài)，只要給定輸入?yún)?shù)，返回的結(jié)果必定相同。因此，每一個函數(shù)都可以被看做獨立單元，很有利于進行單元測試（unittesting）和除錯（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(shù)據(jù)，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(fā)編程"（concurrency）。請看下面的代碼：vars1=Op1();vars2=Op2();vars3=concat(s1,s2);由于s1和s2互不干擾，不會修改變量，誰先執(zhí)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(tǒng)狀態(tài)，而s2可能會用到這些狀態(tài)，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(shù)式編程的這個特性非常重要。5.代碼的熱升級