聊聊函数式编程

Posted 2021-04-09 宜信财富技术

源起

在过去的近十年时间里，面向对象编程大行其道。许多企业级的应用都是基于面向过程和面向对象两种编程模型实现。日前，接触了Python语言，学习了Python语言中的函数式编程，让我对编程模式有了全新的认识，故写下此文，与大家一起学习探讨。

什么是函数式编程

在维基百科中，已经对函数式编程有了详细的介绍。

In computer science, functional programming is aprogramming paradigm—a style of building the structure and elements of computerprograms—that treats computation as the evaluation of mathematical functionsand avoids changing-state and mutable data.

顾名思义，函数式编程是一种编程模型，它将计算机运算看作是数学中函数的计算，并且避免了状态变化和可变数据元素。

一般地，编程语言分为命令式和声明式两类。我们之前常使用的开发语言诸如C,C++,Java都属于命令式编程，诸如Lisp,Hashkell则是函数式编程的代表。时下比较流行的Python,Scala由于支持多种编程模式，既支持命令式编程，也支持函数式编程；对于我们熟识的Java语言也在Java8开始也支持了如lambda表达式等函数式编程的特性。

在命令式编程中，通过一系列改变程序状态的指令来完成计算，赋值语句占据着主导的地位；相应的，函数式编程则是通过数学函数的表达式变换和计算来求值，函数具有至高无上的地位。

函数式编程的意义

函数式编程到底有什么好处，让众多开发者如此趋之如骛？

·        首先，函数式编程更加模块化，其定义了更加有用，容易重用，组合以及测试的抽象，使得代码简洁，开发快速，大大降低开发成本。

·        其次，易于并发编程。由于函数式编程不修改变量，所以不存在“锁”线程的问题，不需要考虑死锁（deadlock)。

·        再者，函数式编程回归简单。如对表达式（1+2）*3-4，函数式方式可以通过add(1,2).multiply(3).subtract(4)来实现，更接近自然语言，易于理解。

·        更进一步说，函数式编程易于测试。由于函数式编程的每一个符号都是final的，没有函数会产生副作用。因为没有在某个地方修改过值，也就没有函数修改过在其作用域之外的量并被其他函数使用（如类成员或全局变量）。因此，对于被测试程序中的每个函数，你只需在意其参数，而不必考虑函数的条用顺序，索要做的就是传递代表了边际情况的参数。

·        最后，支持代码热部署。对于函数式的程序，所有的状态即传递给函数的参数都被保存在堆栈上，只要保证接口不变，内部实现是与外部无关的，这使得对代码进行热部署成为可能。

几个特征

高阶函数

如果说对象是在面向对象编程中的基础，那么函数则是函数式编程的第一块砖头。在面向对象编程中，我们把对象传来传去，那在函数式编程中，我们要做的就是把函数传来传去，于是就产生了高阶函数。对于高阶函数，我们作如下定义：

在数学和计算机科学中，高阶函数式是至少满足了下列一个条件的函数：

1. 接收一个或多个函数作为输入

2. 输出一个函数

比如对数组[1,2,3,4]中所有的元素都进行值翻倍处理，对于命令式编程来说（以C实现为例）

    int[] numbers ={1,2,3,4};

    for(int i = 0;i< numbers.length;i++){

        numbers[i]= numbers[i] * 2;

    }

相应的，如果是使用函数式编程（以python实现为例）

    def doubling(x){

        return 2 *x;

    }

    s =map(doubling ,[1,2,3,4])

二者打印得到的结果是一样的。相比而言，使用函数式编程的代码更简洁。在这其中，函数doubing作为函数map参数的进行输入，满足高阶函数定义的条件一。

Lambda表达式

Lambda表达式是基于数学中的λ演算得名，直接对应于其中的lambda抽象(lambdaabstraction)，是一个匿名函数。在2014年发布Java8也包含了此项特性。使用lambda表达式对上述例子进行运算，可以做到一行代码完成。

    s = map(lambdax: x * 2,[1,2,3,4])、

使用lambda表达式的好处就是减少代码量，使程序更加灵活易读。

无状态性

必须意识到，我们的程序是拥有“状态”的。试想一下，在我们调试Java程序时，经常会使用到添加断点进行单步跟踪。程序在执行断点就暂停，这个时候可以认为程序停留在某一个状态上。在这个状态上保留了当前定义的全部变量。命令式编程是通过修改变量的值来保存当前程序的状态的。

而函数式编程不一样，它是通过函数来保存程序的状态的，或者更准确一点，它是通过函数创建新的参数或返回值来保存程序的状态的。函数一层层的叠加起来，其中每个函数的参数或者返回结果来代表程序的一个中间状态，过程式编程中对变量的修改在这里变成了一次函数转换（一层函数的叠加）。这时，我们会发现，无论多少个进程在跑，因为本身无赋值操作，所以不会影响到我们的最终结果。

柯里化

柯里化(英语：Currying)，把接受多个参数的函数变换成接受一个单一参数的函数，返回接受余下的参数并且返回结果的新函数。简单来说，柯里化就是一个函数在参数没给全时返回另一个函数，返回的函数的参数正好是余下的参数。

比如：如果你设定了x,y两个参数,那么2的4次方返回的就是16，但是如果你只是指定了x为2，而没有指定y,那么就会返回一个函数：2的y次方，这个函数就只有一个参数y;

柯里化的好处是减少了函数的参数个数，并且模块化了每步计算，与设计模式中的适配器模式（将一个接口转换为另一个接口）类似，并且柯里化的应用之一"惰性求值"也是函数式编程的一个重要特性

闭包

如果你是使用javascript语言进行日常开发，那么闭包对你来说是个再熟悉不过的事物。

首先，来看看闭包的概念：闭包（Closure）是词法闭包（Lexical Closure）的简称，是引用了自由变量的函数。这个被引用的自由变量将和这个函数一同存在，即使已经离开了创造它的环境也不例外。所以，闭包是由函数和与其相关的引用环境组合而成的实体。

下面用python语言的代码来举个例子：

def f1(prefix):

    def f2(name):

        printprefix, name

    return f2

 

f = f1(1)

f(2)

f(3)

输出的结果为：

1 2

1 3

可以看到，函数f2()访问了非本地变量prefix,这是正常的，但是为什么变量prefix在结束第一次函数运行之后还会生效，也就是输出 1 2之后，在执行下一次访问时，prefix还是有效的？

在Python语言对闭包原理的实现中，当内嵌函数引用了包含它的函数中的变量后（此处为函数f2引用了函数f1传入的参数prefix），这些变量会被保存在f1的__closure__属性中,成为f1的一部分，因此变量prefix会和f1存在一致的生命周期，也就是上文提到的，被引用的自有变量将和该函数一同存在，即使已经离开了创造它的环境。

写在最后

函数式编程，如文章开头所言，是一种编程范式，并不局限在如Lisp,Hashkell这类函数式语言中才能使用。现代的开发语言很多都支持多模式，只要具备一定的特性，就可以用来编写函数式程序，如python,scala等。编程语言的流行程度与其擅长的领域密切相关。函数式语言长于数理逻辑以及并行程序。命令式则擅于业务逻辑，尤其是交互式或事件驱动上。选择何种语言，采用何种模式来实现，需要密切关联实际业务需求做出最终的抉择。就像如果要用scala完全取代了今天的Java工作，我想恐怕效果会很槽糕，而如果使用scala来负责底层服务的编写，恐怕就比Java语言适合得多了。