如何理解Scala的函数式编程

Posted 2021-04-12 艾叔编程

谈到Scala，必然会提到Scala支持函数式编程。

那么到底什么是函数式编程？它是从哪来的？它有什么特点和好处呢？

如果从理论上去深究，可能一本书的篇幅都不够，关键是，看完之后，还是不知所云。

下面从一个例子出发，对Scala的函数式编程做一个说明。

1. 函数式编程例子

假设有1个int数组numList，要求得到一个新数组newNumList，newNumList每个元素的值是numList对应元素值的2倍。

如果按照常规的编程方法，Scala代码（后续简称代码1）如下：

val newNumList = new Array[Int](numList.length)var i=0while(i<newNumList.length){newNumList(i) = numList(i)*2i+=1}

如果按照函数式编程，则代码（后续简称代码2）如下

val newNumList = numList.map(2*_)

代码2非常简洁，那它是怎么来的呢？

代码2使用了Array类的map方法，map可以将Array中的每个元素，映射成一个新元素，最终返回包含所有新元素的Array，这个映射过程，由传入map的处理方法来决定，map方法的定义如下：

def map[U](f: (T) ⇒ U)

其中，[U]是泛型，表示返回的类型为U，由处理函数f的返回值推断而出，f是传入map的变量（即map的处理函数），f的类型是函数，该函数的具体定义为(T)=>U，即：只有1个输入参数，类型为T，返回值为U。

下面的代码给出了一个符合(T)=>U的doubValue方法及实现，doubValue只有1个输入参数，类型为int，返回值也是int，实现的功能是：将输入参数乘以2后返回。

将doubValue作为map的参数传入，其中x代表newList中的每个元素，用作doubValue的参数（x的名字不是固定的，可以根据自己的需要修改）。

def doubValue(x: int):int={2*x}val newNumList = numList.map(x=>doubValue(x))

doubValue的返回值类型是可以推断出来的，2*x是Int，因此返回值类型是Int，Scala支持类型推断，因此，不需要指定返回值类型，代码可以简化为：

def doubValue(x: int)={2*x}val newNumList = numList.map(x=>doubValue(x))

如上例所示，Scala编译器的类型推断功能，可以根据已有的类型，推断被赋值对象的类型，从而不需要再在代码中显式声明，这样，既减少了冗余代码，又可以避免出错，非常棒！

上面的代码，类似于C语言中的函数指针，并没有什么特别的。进一步看，doubValue的名字并不重要，重要的是输入参数和返回值，就如map方法定义中描述的那样，因此，可以利用Scala中匿名函数的特性，直接简化为下面的代码：

val newNumList = numList.map(x=>2*x)

因为，输入参数只有一个，代码可以进一步简化为：

val newNumList = numList.map(2*x)

Scala中，如果只有1个参数，可以用_来表示，代码最终简化为：

val newNumList = numList.map(2*_)

简洁即是美，代码亦如此！

但过度的抽象，会导致代码可读性下降，因此，需要把握好这个度。

再和代码1比较，可以得到下面的结论：

• 代码1是命令式编程，程序逻辑的基本元素是：变量+操作符+控制结构，这些元素构成一条条的代码指令，因此，称之为命令式编程。

• 代码2是函数式编程，程序逻辑由：map+匿名函数组成。另外，函数实现2*_中的乘法符号*，表面上是一个操作符，而在Scala中*，*其实是一个函数，2*_实际是2.*(_)。整个代码2中，看不到变量、控制结构、操作符等元素，看到的只有函数，因此，函数式编程的本质就是：程序逻辑的基本元素是函数。

2. 理解函数式编程

• 命令式编程中，程序逻辑的基本元素是：变量+操作符+控制结构；

• 函数式编程中，程序逻辑的基本元素是：函数；

• 面向对象编程中，程序逻辑的基本元素是：对象+操作符+控制结构；

• 大部分的程序逻辑，命令式编程和函数式编程都可以实现；

• 函数式编程的代码更加简洁，看代码1和代码2的对比就非常明显了；

• 命令式编程的思路更加偏向于计算机本身，而函数式编程的思路更偏向于人的思维；

• Scala提供了大量的特性，例如：val常量，匿名函数、高阶函数、闭包、柯里化等，来支持函数编程；

• 函数式编程有利于程序自动并行化，代码1不管是程序结构，还是公共变量，都会导致自动并行化很难实现，如果一定要并行化，只能是人工编码，切分任务去并行，而代码2，则可以很简单地实现并行化，只需对numList做一个简单的数据划分，将numList划分成n个部分，每个部分都执行map(2*_)操作，最后汇总结果即可，这个工作是一个固定的模式，可以由机器来完成；

• 编程时，要注意培养自己使用函数式编程的习惯，尝试将逻辑抽象成函数，将函数作为程序逻辑的组成元素，同时，还可以多阅读别人的代码，如Spark的实现，吸取其中有益的经验，久而久之，就可以写出很专业的的函数式编程代码。

3. 编程方式的选择

Scala支持命令式编程、函数式编程、面向对象编程。

那么在实际编程中该如何选择呢？

在实践中，编程方式的选择，要以功能实现为第一要义。

例如，面向对象支持多态、继承，这些特性对于代码复用、简化逻辑有很大帮助，因此，有类似需求的时候，可以考虑面向对象编程；又比如，函数式编程对程序并行化非常友好，因此，有类似需求的时候，可以考虑函数式编程等等，此外，如类似数学推理的需求，用函数式编程也是比较合适的。总之，不管哪种方式，只要能方便、快速地实现功能，就选择它。

切记：不可因为偏爱某种编程方式，而生搬硬套，为了编程而编程，忘记出发点，是不可取的。

此外，函数式编程代码独具魅力，很多人（特别是有其它语言使用经验的开发者）接触后，会感觉Scala写出来的代码非常简洁、优雅，从而爱不释手，试图处处遵循此风格，但是，Scala代码高度抽象后，代码是少了，但往往会导致代码晦涩难懂，会给协作开发和后期维护带来额外的困难，因此，切记，不可过度优化，不能影响代码的可读性。

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