关于函数式编程

Posted 2021-04-09 JavaScript开发者

说到函数式编程，大家可能第一印象都是学院派的那些晦涩难懂的代码，充满了一大堆抽象的不知所云的符号，似乎只有大学里的计算机教授才会使用这些东西。在曾经的某个时代可能确实如此，但是近年来随着技术的发展，函数式编程已经在实际生产中发挥巨大的作用了，越来越多的语言开始加入闭包，匿名函数等非常典型的函数式编程的特性。

函数式编程中最古老的例子莫过于1958年被创造出来的Lisp，随着函数式编程受到越来越多的关注，不仅使Lisp重获青春，而且新的函数式语言层出不穷，比如Haskell、Scala、Erlang等。目前最当红应属Python、Ruby、javascript，他们对函数式编程的支持都很强，就连老牌的面向对象的Java、面向过程的php，都忙不迭地加入对匿名函数的支持。

一、定义

简单说，"函数式编程"是一种"编程范式"（programming paradigm），也就是如何编写程序的方法论。

它属于"结构化编程"的一种，主要思想是把运算过程尽量写成一系列嵌套的函数调用。

举个例子，现在有这样一个数学表达式：

 (1 + 2) * 3 - 4

传统的过程式编程，可能会书写如下：

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

函数式编程则会使用已经封装好的函数来进行上述式子的演算：

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

这就是函数式编程。

二、特点

函数式编程具有五个鲜明的特点：

1. 函数是"第一等公民"

在JavaScript中，函数是"第一等公民"对应的英文原文应该是first-class object（第一类对象）。

即函数也是一种对象：

一是可以拥有自己的属性和方法；

二是可以将函数赋值给某一个变量；

三是可以将函数作为参数使用；

四是可以将函数当作返回值；

五是可以动态创建函数。

函数编程语言最重要的基础是λ演算（lambda calculus），而且λ演算的函数可以接受函数当作输入（参数）和输出（返回值）。

λ演算是由阿隆佐·邱奇（阿兰·图灵的老师）提出，后来由约翰·麦卡锡（人工智能的奠基人之一）发现了λ演算的珍贵价值，并发明了基于函数式编程语言Lisp。

所以提到JavaScript中的函数，我们就会认为它是一个对象，是可执行的。

2. 只用"表达式"，不用"语句"

"表达式"（expression）是一个单纯的运算过程，总是有返回值；"语句"（statement）是执行某种操作，没有返回值。函数式编程要求，只使用表达式，不使用语句。也就是说，每一步都是单纯的运算，而且都有返回值。

原因是函数式编程的开发动机，一开始就是为了处理运算（computation），不考虑系统的读写（I/O）。"语句"属于对系统的读写操作，所以就被排斥在外。

当然，实际应用中，不做I/O是不可能的。因此，编程过程中，函数式编程只要求把I/O限制到最小，不要有不必要的读写行为，保持计算过程的单纯性。

3. 没有副作用

所谓"副作用"（side effect），指的是函数内部与外部互动（最典型的情况，就是修改全局变量的值），产生运算以外的其他结果。

函数式编程强调没有"副作用"，意味着函数要保持独立，所有功能就是返回一个新的值，没有其他行为，尤其是不得修改外部变量的值。

4. 不修改状态

函数式编程只是返回新的值，不修改系统变量。因此，不修改变量，也是它的一个重要特点。

在其他类型的语言中，变量往往用来保存"状态"（state）。不修改变量，意味着状态不能保存在变量中。函数式编程使用参数保存状态，最好的例子就是递归。下面的代码是一个将字符串逆序排列的函数，它演示了不同的参数如何决定了运算所处的"状态"。

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

由于使用了递归，函数式语言的运行速度比较慢，这是它长期不能在业界推广的主要原因。

5. 引用透明

引用透明（Referential transparency），指的是函数的运行不依赖于外部变量或"状态"，只依赖于输入的参数，任何时候只要参数相同，引用函数所得到的返回值总是相同的。

三、优势

1. 代码简洁，开发快速

函数式编程大量使用函数，减少了代码的重复，因此程序比较短，开发速度较快。

Paul Graham在《黑客与画家》一书中写道：同样功能的程序，极端情况下，Lisp代码的长度可能是C代码的二十分之一。

如果程序员每天所写的代码行数基本相同，这就意味着，"C语言需要一年时间完成开发某个功能，Lisp语言只需要不到三星期。反过来说，如果某个新功能，Lisp语言完成开发需要三个月，C语言需要写五年。"当然，这样的对比故意夸大了差异，但是"在一个高度竞争的市场中，即使开发速度只相差两三倍，也足以使得你永远处在落后的位置。"

2. 接近自然语言，易于理解

函数式编程的自由度很高，可以写出很接近自然语言的代码。

前文曾经将表达式(1 + 2) * 3 - 4，写成函数式语言：

 subtract(multiply(add(1,2), 3), 4);

对它进行变形，不难得到另一种写法：

 add(1,2).multiply(3).subtract(4);

这基本就是自然语言的表达了。再看下面的代码，大家应该一眼就能明白它的意思：

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

3. 更方便的代码管理

函数式编程不依赖、也不会改变外界的状态，只要给定输入参数，返回的结果必定相同。因此，每一个函数都可以被看做独立单元，很有利于进行单元测试（unit testing）和除错（debugging），以及模块化组合。

4. 易于"并发编程"

函数式编程不需要考虑"死锁"（deadlock），因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改，所以可以很放心地把工作分摊到多个线程，部署"并发编程"（concurrency）。

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

由于s1和s2互不干扰，不会修改变量，谁先执行是无所谓的，所以可以放心地增加线程，把它们分配在两个线程上完成。其他类型的语言就做不到这一点，因为s1可能会修改系统状态，而s2可能会用到这些状态，所以必须保证s2在s1之后运行，自然也就不能部署到其他线程上了。

多核CPU是将来的潮流，所以函数式编程的这个特性非常重要。

5. 代码的热升级

原文链接：http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/04/functional_programming.html