函数式编程的一些心得与体会

Posted 2021-04-09 zcx的工作室

本篇内容主要分为这三个部分。

1.什么是函数式编程2.如何编写3.优缺点

什么是函数式编程

首先，到底什么是函数式编程呢？函数式编程跟命令式编程一样，是一种编程范式。命令式关注的是解决问题的步骤，函数式编程关注的内容则是数据之间的映射关系。

举个例子，假如你现在去 Google 面试，面试官让你把二叉树翻转。几乎不假思索，（你啪的一下，很快啊）就写了出来。

好，我们可以看看这个代码究竟代表着什么？其含义很明确，先判断节点是否为空，然后翻转左子树，然后是右子树，最后左右交换。

这就是命令式编程，你要完成什么事情，就要把能完成这个事情的步骤一一列举，然后让机器去运行这些步骤。

实际上，这也是命令式编程的理论模型——图灵机的特点。一条写满数据的纸带，一个根据纸带上的内容进行运动的机器。

这时候，如何使用函数式编程来实现呢？翻转二叉树本质上是这么一种映射：

F(Tree(left, right)) = Tree(F(right), F(left));

根据这个思路，我们可以写出这样的代码。

这段代码同样也能达到翻转二叉树的效果，然而却体现了一种跟命令式不同的思维模式——通过描述“旧树 - 新树”之间的映射。函数式的代码这种“对映射的描述"肯定不仅仅是可以用于表达二叉树。也可以表达各种计算机中的数据结构中的映射。那么该如何进行函数式编程呢？

如何编写

在这里，我给出了三个具有代表性思路。

1.纯函数2.管理副作用3.数据不变性

首先是纯函数，它基本上都会第一时间出现在各种函数式编程的教材。纯函数的性质只有两个：

1.输出取决于输入参数2.不产生副作用

多说无谓，举一个简单的例子，假设你在2017年8月份前现在接到了一个财会软件的需求，要求你根据某位员工的工资，计算他的个人所得税。忽略繁杂的五险一金的计算，你可以得到这样一个简单的函数。

很明显，这就是一个纯函数，输出只依赖于输入参数（工资）无论你是 5k 还是10k，税收都是从 3.5k 开始计算，除此以外没有做任何操作以及副作用。

然而到了2018年8月，你接到通知，工资的起征点从9月份开始有了新的变化，从 3500 变成 5000 。需求很简单，你用键盘飞快地敲出了这样的代码。

仔细思考一下上面的代码就会发现，上面的代码无法处理边界问题，如果会计在9月份结算8月份的工资，难不成还要修改电脑日期吗？这很明显是一个bug，主要原因是由于引入了包含副作用的 I/O 函数（today），所以会导致输出不再依赖于输入参数，反而依赖于外部时钟。所以导致了原本的纯函数变得不再纯洁，以至于你需要对副作用进行控制。

我在这需要给出副作用的定义。

1.执行 I/O 操作2.改变输入参数3.抛出异常4.全局状态（指函数作用域外的状态）突变

刚刚的问题对应于这里的第一种情况。之前已经说过，纯函数的输出只能依赖于输入参数，所以，转换一下思路，把产生副作用的内容当作参数传入，这样就让纯函数保持纯洁。today 的本质是通过系统的时钟来获取，那么它的每次调用就会导致全局状态突变。回到问题，其实只要我们把年月作为参数传入即可。

通过上述函数，无论我在什么时候特点的时间进行运算，只需要带上这位员工工资所在月份和年份，那么即可得到正确的结果。当然 I/O 处理可能会涉及到异步的问题，解决这种问题的方法在 C#里叫 Task，在 JS 里叫 Promise，本质上都是同一套名为单子的解决方案。

再来举个例子，如果你参与了某个电商平台管理系统的设计，当订单中的物品被修改的时候，需要重写计算总价，并获取所有商品数量为零的订单行。

这里的问题对应于第二种情况，改变输入参数。调用者依赖该函数来执行副作用，被调用者需要依赖于调用者来初始化列表。因此这两种方法都必须知道另一种方法的实现细节，因此无法孤立的推理出这些方法。

解决这里的耦合问题也很容易，把所有计算信息返回给调用者，可轻松避免这种副作用。

这里既可以定义一个二元组用于返回特定对应的数据，也可以分别写成两个纯函数，一个用于计算总价，一个用于获取 linesToDelete。

对于异常处理以及全局状态变量的突变的问题，函数式编程都有很好的解决方案。

在 C# / Java 这类类型定义不完整的语言中，可以通过定义 Either 类来决定异常的返回内容。而不用关心或决定是否抛出异常。

全局状态变量突变的问题，主要会涉及到共享内存以及相关线程问题，其合理的解决方案是并发消息传递——实际上就是一个消息队列并发处理请求，并更新程序状态。这个解决方案无法在如此短的时间内说清楚，想要继续了解这部分内容可以自行搜索。

那么，并发消息传递中，”更新程序状态“所需要的技术基础便是来自于数据不变性，不可变数据有以下两个特点：

1.纯洁性：任何时候读取数据都是同样的输出。2.原子性：不可变

所谓纯洁性，就是任何时刻读取该数据都是同样的输出；而线程安全，则来自于众所周知的原因，数据拷贝是无竞争的。

优缺点

最后，总结一下内容函数式编程的优缺点，函数式编程的好处：

1.更加简洁、易读、易于测试的代码。2.更好的支持并发。

但是，函数式编程也存在一些不可调和的问题：

1.难以调试的代码（调用栈过长，找不到目标代码，并且容易爆栈）。2.大部分语言都难以支持一些高级类型（并、或），或类型推倒。3.无法严格避免共享状态可变。

那么，在认识到这些问题的情况下，函数式编程与业务结合方面，刻意的让整个程序无状态化也不现实，开发人员应该倾向于把业务系统模型无状态化，用更加通俗的说法，就是让业务逻辑变成纯函数，变得可预测。

最后

文中部分内容引用自以下文章和书籍。

[1] 什么是函数式思维 - nameoverflow^[1]

[2] 函数式编程的核心思想 - 廖雪峰^[2]

[3] C# 函数式编程——编写更优质的C#代码 - Enrico Buonanno

[4] Haskell 趣学指南 - Miran Lipovaca

References

[1] 什么是函数式思维 - nameoverflow: https://www.zhihu.com/question/28292740/answer/100284611
[2] 函数式编程的核心思想 - 廖雪峰: https://www.liaoxuefeng.com/article/1260118907809920