Swift系列三十二 - 函数式编程

Posted 1024星球

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Swift系列三十二 - 函数式编程相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

函数式编程(Funtional Programming,简称FP)是一种编程范式,也就是如何编写程序的方法论。

一、什么是函数式编程?

1.1. 介绍

主要思想: 把计算过程尽量分解成一系列可复用函数的调用。
主要特征: 函数是"一等公民"(函数与其他数据类型一样的地位,可以赋值给其他变量,也可以作为函数参数、函数返回值)。

函数式编程中几个常用的概念:

  • Higher-Order Function、Function Currying
  • Functor、Applicative Functor、Monad

延伸:函数式编程最早出现在LISP语言,绝大部分的现代编程语言也对函数式编程做了不同程度的支持,比如javascript、Python、Swift、Kotlin、Scala等。

1.2. 实践

1.2.1. 传统写法

示例代码:

var num = 1
func add(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int  v1 + v2 
func sub(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int  v1 - v2 
func multiple(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int  v1 * v2 
func divide(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int  v1 / v2 
func mod(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int  v1 % v2 

// [(num + 3) * 5 - 1] % 10 / 2
print(((num + 3) * 5 - 1) % 10 / 2) // 输出:4
var result = divide(mod(sub(multiple(add(num, 3), 5), 1), 10), 2)
print(result) // 输出:4

看到上面的嵌套非常多,如果遇到复杂的场景,整个代码可读写非常差。

1.2.2. 函数式写法

如果把add函数赋值给一个变量,函数固定加一个数,函数式写法就很方便。

示例代码;

func add(_ v: Int) -> (Int) -> Int  $0 + v 
var addFn = add(3)
print(addFn(5)) // 输出:8
print(addFn(20)) // 输出:23
print(addFn(66)) // 输出:69

add()返回一个函数,调用返回的函数时也可以传入一个参数,最终结果是把这两个参数加起来。而且这样子可以做到函数可复用。

同理,其他函数也是这样函数式处理:

typealias FnInt = (Int) -> Int
func add(_ v: Int) -> FnInt  $0 + v 
func sub(_ v: Int) -> FnInt  $0 - v 
func multiple(_ v: Int) -> FnInt  $0 * v 
func divide(_ v: Int) -> FnInt  $0 / v 
func mod(_ v: Int) -> FnInt  $0 % v 

let fn1 = add(3)
let fn2 = multiple(5)
let fn3 = sub(1)
let fn4 = mod(10)
let fn5 = divide(2)

let result = fn5(fn4(fn3(fn2(fn1(num)))))
print(result) // 输出:4

发现如果使用上面的写法,代码依然看起来很臃肿。下面介绍函数合成,可以解决此问题。

二、函数合成

函数合成,其实就是把多个函数合成到一个函数里面。

示例代码(函数合成):

func composite(_ f1: @escaping FnInt, _ f2: @escaping FnInt) -> FnInt 
     f2(f1($0)) 

let fn = composite(add(3), multiple(5))

这样就把加法和乘法的函数合成到一个函数了,其他函数同理。如果想要函数更加优雅,我们可以自定义运算符。

示例代码(自定义运算符):

infix operator >>> : AdditionPrecedence
func >>>(_ f1: @escaping FnInt, _ f2: @escaping FnInt) -> FnInt 
     f2(f1($0)) 

let fn = add(3) >>> multiple(5) >>> sub(1) >>> mod(10) >>> divide(2)
let result = fn(num)
print(result) // 输出:4

执行fn(num)最开始进入的是f1,而f1的函数返回值就是f2的参数值,所以这两个地方的参数类型一定是一致的。

为了保证函数的可复用性,使用泛型进行表述:

func >>> <A, B, C> (
    _ f1: @escaping (A) -> B,
    _ f2: @escaping (B) -> C)
    -> (A) -> C 
     f2(f1($0)) 

三、高阶函数

高阶函数是至少满足下列一个条件的函数:

  • 接受一个或多个函数作为输入(例如:map、filter、reduce等)
  • 返回一个函数

FP中到处都是高阶函数。例如上面示例代码中的add、sub、multiple、divide、mod

四、柯里化

什么是柯里化(Currying)?
将一个接受多参数的函数变换为一系列只接受单个参数的函数。

示例代码一(基础代码):

func add(_ v1: Int, _ v2: Int) -> Int  v1 + v2 
add(10, 20)

示例代码二(柯里化):

func add(_ v: Int) -> (Int) -> Int  $0 + v 
add(10)(20)

// 原函数接收两个参数的柯里化
func currying<A, B, C>(_ fn: @escaping (A, B) -> C)
    -> (B) -> (A) -> C 
    
        b in 
            a in fn(a, b)
        
    

currying(add)(20)(10)

// 重载~运算符
prefix func ~<A, B, C>(_ fn: @escaping (A, B) -> C)
    -> (B) -> (A) -> C 
    
        b in 
            a in fn(a, b)
        
    

let fn = (~add)(3) >>> (~multiple)(5) >>> (~sub)(1) >>> (~mod)(10) >>> (~divide)(2)
print(fn(1)) // 输出:4

示例代码一到示例代码二的过程就是柯里化。而且使用通用柯里化函数后,柯里化同类型原函数时只需要调用通用柯里化函数就可以。

Array、Optionalmap方法接收的参数就是一个柯里化函数。

示例代码三(原函数接收三个参数的柯里化):

func add1(_ v1: Int, _ v2: Int, _ v3: Int) -> Int  v1 + v2 + v3 

// add1柯里化
func add2(_ v3: Int) -> (Int) -> (Int) -> Int 
    // v2 == 20
    return  v2 in
        // v1 == 10
        return  v1 in
            return v1 + v2 + v3
        
    

add2(30)(20)(10)

// 原函数接收三个参数的柯里化
func currying<A, B, C, D>(_ fn: @escaping (A, B, C) -> D)
    -> (C) -> (B) -> (A) -> D 
    
        c in 
            b in 
                a in fn(a, b, c)
            
        
    

currying(add2)(30)(20)(10)

注意:柯里化函数参数一般是原函数参数的倒序方式。具体需要根据开发需求调整对应参数顺序。

五、函子

Array、Optional这样支持map运算的类型,称为函子Functor)。

Arraymap的定义:

public func map<T>(_ transform: (Element) throws -> T) rethrows -> [T]

Element是数组内部存放的实体,map函数返回值类型是数组,闭包表达式返回值和数组内部存放的实体都是泛型T。满足函子定义的条件。

Optionalmap的定义:

public func map<U>(_ transform: (Wrapped) throws -> U) rethrows -> U?

Wrapped是可选类型内部存放的实体,map函数返回值类型是可选类型,闭包表达式返回值和数组内部存放的实体都是泛型U。满足函子定义的条件。

比如有一个可选类型,内部包装的是2,如果要进行+3操作,则需要把数字2先解包,+3操作完成后把结果再放回包装盒内(可选类型),如果盒子是空的,则不作任何操作。下面是图例:

第一步:取值

第二步:操作再包装

第三步:空值不处理

数组map图例(遍历每一个值,完成后的值放到新的数组里):

5.1. 适用函子

对任意一个函子F,如果能支持以下运算,该函子就是一个适用函子Application Functor)。

// 传入任意泛型参数A,最终返回对应类型,该类型的实体
func pure<A>(_ value: A) -> F<A>
func <*><A, B>(fn: F<A -> B>, value: F<A>) -> F<B>

Optional可以成为适用函子:

func pure<A>(_ value: A) -> A?  value 
infix operator <*> : AdditionPrecedence
func <*><A, B>(fn: ((A) -> B)?, value: A?) -> B? 
    guard let f = fn, let v = value else  return nil 
    return f(v)


var value: Int? = 10
var fn: ((Int) -> Int)? =  $0 * 2
print(fn <*> value as Any) // 输出:Optional(20)

Array可以成为适用函子:

infix operator <*> : AdditionPrecedence
func pure<A>(_ value: A) -> [A]  [value] 
func <*><A, B>(fn: [(A) -> B], value: [A]) -> [B] 
    var arr: [B] = []
    if fn.count == value.count 
        for i in fn.startIndex..<fn.endIndex 
            arr.append(fn[i](value[i]))
        
    
    return arr

print(pure(10)) // 输出:[10]

var arr = [ $0 * 2 ,  $0 + 10 ,  $0 - 5 ] <*> [1, 2, 3]
print(arr) // 输出:[2, 12, -2]

5.2. 单子

对任意一个类型F,如果能支持以下运算,那么就可以称为是一个单子Monad)。

func pure<A>(_ value: A) -> F<A>
func flatMap<A, B>(_ value: F<A>, _ fn: (A) -> F<B>) -> F<B>

很显然,Array、Optional都是单子。

注意:有些参考资料会说单子就是函子。

参考资料:

  • https://adit.io/posts/2013-04-17-functors,_applicatives,_and_monads_in_pictures.html

  • http://www.mokacoding.com/blog/functor-applicative-monads-in-pictures

以上是关于Swift系列三十二 - 函数式编程的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

函数式编程-将Monad(单子)融入Swift

Swift系列三十四 - 响应式编程(RxSwift的使用)

Swift系列三十四 - 响应式编程(RxSwift的使用)

Swift函数式编程十三(函子适用函子单子)

Swift函数式编程十三(函子适用函子单子)

Swift函数式编程十三(函子适用函子单子)