函数式编程语言

Posted 2020-06-18 李闹闹童鞋的博客

　　最近一段时间总是听到或者看到有人谈论“函数式编程”，第一次接触是在大概半年前的一次沙龙中，当时听人讲的时候，心想这有什么难理解的，函数式编程，函数嘛，那就是C呀，C++放在首位的是对象，面向对象编程，C放在首位的不是函数吗，那就是函数式编程啊，整个经验交流迷迷糊糊的，只记住了个lambda。但是在后来陆陆续续还是听到了这个名词，而且也知道并不是我理解的那个样子，C不是“函数式编程”，而是“面向过程编程”，是“命令式编程”，但是还不是很理解到底是怎么区分的。于是周末翻阅了一下资料，稍作“概念层次”的总结。

　　本文部分内容取自《编程语言原理》（第10版）

　　部分参考了博客 http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/04/functional_programming.html?bsh_bid=521023357

　　部分取自自己的笔记，出处不详...

一、基础知识

　　（一）编程语言（程序设计语言）的分类？

　　　通常可分为4类：命令式语言、函数式语言、逻辑语言和面向对象的语言（实际上还有很多不同的划分版本）

　　　　1、命令式编程语言（imperative language）

　　　　　　计算机体系结构是影响语言设计的一个重要因素，目前的大多数语言都是围绕着冯诺依曼结构设计的，这些语言称为“命令式语言”。

　　　　　　命令式语言的核心特征：

　　　　　　（1）变量（冯诺依曼结构的存储单元）

　　　　　　（2）赋值语句（数据传输）

　　　　　　（3）迭代形式的循环（冯诺依曼结构中实现循环的最高效形式）

　　　　2、函数式编程语言（functional language）

　　　　　　命令式编程语言是以冯诺依曼这种体系结构为模型，而函数式程序语言的目的是尽可能的模拟数学函数。

　　　　　　函数式语言的核心特征：

　　　　　　（1）以“函数”为首，如同命令式语言中的“变量”，函数可以赋值给其他变量，可以作为其他函数的参数，或者作为其他函数的返回值。

　　　　　　（2）不修改变量的值

　　　　　　（3）只有表达式，没有语句。此处的语句指的是没有返回值得某些操作。

　　　　　　（4）引用透明（Referential transparency），函数的运行不依赖与外部变量或“状态”，简单的说就是，同一个输入（参数），总是会产生同一个输出（返回值），这与数学函数的特征很一致。命令式语言因为全局变量等的存在，就无法做到这一点。

　　　　　　（5）对比命令式语言，递归形式的循环

　　　　3、逻辑程序设计语言（logic programming language）（未研究）

　　　　　　逻辑程序设计语言：基于逻辑符号逻辑的语言称为逻辑程序设计语言，或者声明性语言

　　　　　　逻辑程序设计：用一种符号逻辑作为程序设计语言来进行程序设计，通常称为逻辑程序设计　　　　

　　　　　　逻辑式编程语言是基于规则的编程语言，程序是事实和规则集，通过符号逻辑来表示程序，并使用逻辑推导过程来生成结果。

　　　　4、面向对象语言（object oriented language）

　　　　　　听起来最亲切的一个种类..........

　　　　　　严格来说，面向对象语言不应该处在与命令式语言并列的状态，面向对象语言的设计也是依据冯诺依曼结构，它是从命令式语言发展而来，我觉得它本身就是命令式语言。

　　　　　　“面向对象”：强调的是开发模式，与它相对的开发模式就是“面向过程”

　　　　　　所以说就是“命令式语言”通常指的是“面向过程开发的编程语言”，比如C语言；“面向对象语言”指的就是“面向对象开发的编程语言”，比如C++和Java。

　　　　　　主要特征：

　　　　　　（1）封装：将数据和方法封装成类

　　　　　　（2）继承：子类继承父类，可以自动共享父类的数据结构和方法

　　　　　　（3）多态：子类可以修改父类的方法

　　　　5、其他语言：

　　　　（1）脚本语言（Scripting language）（python、javascript等等）

　　　　　　脚本语言也是一类语言，只不过分类的依据与上述不同，脚本语言属于“命令式语言”的范畴，单拎出这个分类是由于其的运行方式——解释执行，没有编译过程

　　　　（2）可视化语言

　　　　　　同样是命令式语言的一个子类，能够以拖放的方式生成代码段（比如.NET）

　　　　（3）标记语言（markup language）（html、XML等）

　　　　　　这种语言，不算做编程语言；

　　　　　　但是某些标记语言（比如HTML和XML）的扩展中，也加入了一些程序设计的功能——标记与程序设计混合语言（比如JSP标准标签库中的JSTL）

　　　　（4）还有一些特殊用途的语言等等　　

　　（二）语言执行方式？

　　　　1、编译执行——针对编译语言

　　　　　　简单理解，编译执行就是先将源语言（通常是高级语言）翻译成目标语言机器语言（01码），之后再执行。

　　　　　　源语言——>目标语言的翻译过程，包括词法分析、语法分析、语义分析多个步骤

　　　　　　什么是翻译，用我们日常会话的语言想一下就懂了，翻译就是从一种语言换成另一种语言的过程（中文—>英文）（我之所以在这写这么多，是因为这个简单的道理我是经过很久才悟的....）

　　　　2、完全解释执行——针对动态语言（脚本语言）

　　　　　　对比编译执行，就是没有翻译的过程，程序由另一个称为解释器的程序（也就是虚拟机，也称为解释器）解释执行。　　　　　　

　　　　3、混合执行——编译与完全解释的折中

　　　　　　源语言——（翻译）——> 中间语言——（解释执行）——>结果

　　　　　　引入中间语言的目的是什么呢？就是这种语言更便于解释执行

　　　　　　比如Java：

　　　　　　（1）首先，将源代码翻译成中间语言（中间形式）——字节码

　　　　　　（2）Java虚拟机（字节码解释器）对字节码进行解释执行

　　　　　　由此也可以理解，编译有两种可能性：

　　　　　　（1）对于编译语言来说：编译是将源代码编译成能够作用于真机的指令，生成的语言是直接作用于硬件的

　　　　　　（2）对于动态语言来说：编译是将源代码编译成一个中间形式，比如字节码，字节码不是作用于硬件的，而是虚拟机

　　　　　　字节码是什么？——就是一系列的字节，每个字节表示一个指令

　　（三）开发环境

　　　　开发环境不难理解，是软件开发中使用的工具集，这个工具集可以只包含一个文件系统、一个文本编辑器、一个链接器和一个编译器，也可以包含很多集成的工具，每个工具都可以通过统一的用户界面来使用。

二、函数式编程

 　　所以什么是函数式编程呢...................................，首先再复习一下基础知识..............................................

　　（一）数学函数

　　　　数学函数是从一个集合到另一个集合的映射，前者称为定义域，或者称为值域。

　　　　映射过程的描述：表达式或者表

　　　　特征：

　　　　（1）映射表达式的求值顺序由递归表达式和条件表达式控制

　　　　（2）给定同一个参数，总是输出值域几个中的同一个元素

　　　　1、简单函数——函数名后跟括号内的一组参数，之后是表达式，例如：

　　　　　　f(x)=x*x*x，其中x是实数

　　　　　　此函数：

　　　　　　（1）定义域和值域都是实数

　　　　　　（2）如果执行求f(2)，即参数是2，在整个求值过程中，x的值恒为2，不改变

　　　　2、λ标记法——提供了一种定义匿名函数的方法。

　　　　　　λ表达式：是一个匿名函数，说明了函数的参数和映射，然而此函数没有名字，λ表达式和其他函数定义一样，可以有一个以上的参数——λ(x)x*x*x

　　　　　　λ计算：一个使用λ表达式的计算模型

　　　　　　λ计算是函数式编程语言的灵感所在

　　　　3、高阶函数——以一个或多个函数作为参数，两种类型

　　　　（1）函数组合，有两个函数参数，并生成一个函数，该函数的值是将第一个实参函数应用到第二个实参函数的结果上。

　　　　　　h(x)=f(g(x)); f(x)=x+2; g(x)=3*x;

　　　　（2）以单个函数为参数，可以应用到一组自变量上，结果组合成列表或者序列

　　　　　　h(x)=x*x;

　　　　　　a(h,(2,3,4))——>(4,9,16)

　　（二）函数式程序设计基础

　　　　最根本的一点：函数式程序设计语言的目的是尽可能的模拟数学函数！

　　　　命令式语言：计算表达式，将结果存储在存储单元中（程序中的变量），这就是赋值语句的作用

　　　　纯函数式程序设计语言：

　　　　（1）没有变量，没有赋值语言；

　　　　（2）没有变量，也因此没有迭代结果（因为迭代是由变量控制的），重复执行必须用递归

　　　　（3）程序：就是函数定义和函数应用的说明

　　　　（4）程序的执行：对函数应用的求值

　　　　（5）给定相同的参数，执行函数总是生成相同的结果，这一特性称为引用透明——使得语义比命令式语言更简单，更易测试

　　　　（6）提供了一组函数，一组函数组成更复杂的函数

　　　　ps. 上述均是针对纯函数式语言，但是目前大多数函数语言都包含一些命令式语言的特性，比如变量和赋值语句；

　　　　　　早期的函数式语言通常是用解释器来执行，但现在大多数都是编译执行。

　　（三）命令式语言对函数式编程的支持（以python为例）

　　　　1、lambda表达式——定义匿名函数

　　　　　　lambda a,b : 2*a+b

　　　　2、支持高阶函数

　　　　（1）函数作为参数传递　　　　　　

 1 >>> def f(x):
 2     return x*x
 3 
 4 >>> add(-5,9,f)
 5 106
 6 >>> def f(x):
 7     return x*x
 8 
 9 >>> def add(x,y,f):
10     print f(x)+f(y)
11 
12     
13 >>> add(2,3,f)
14 13

　　　　（2）内置的高阶函数map()——map函数有两个参数，一个是函数，一个是列表，返回值对每一个参数求值　　　　

1 >>> map(lambda x:x**3,[1,2,3,4,5])
2 [1, 8, 27, 64, 125]
3 >>> def f(x):
4     return x*x*x
5 
6 >>> map(f,[1,2,3,4,5])
7 [1, 8, 27, 64, 125]
8 >>> 

　　　　（3）内置高阶函数reduce()——map函数有两个参数，一个是函数，一个是列表，返回值对每一个参数反复调用函数

>>> reduce(prod, [2, 4, 5, 7, 12])
3360
>>> def f(x,y):
    return x+y

>>> reduce(f,[1,2,3,4,5])
15

View Code

　　　　（4）内置高阶函数filter()——判断

>>> def f(x):
    return x%2==0

>>> filter(f,[1,2,3,4,5,6,7,8])
[2, 4, 6, 8]

View Code

　　　　（5）..........

　　　　3、支持闭包....

　　（四）函数式编程的优点

　　　　1、适用于并行编程——因为不会修改变量，所以过程中不需要同步互斥；

　　　　2、惰性求值：这个需要编译器的支持。表达式不在它被绑定到变量之后就立即求值，而是在该值被取用的时候求值；

　　　　3、函数确定性：给定同一个参数，肯定是有一个同样的输出

 　　　  4、代码更简洁

　　　　..........

　　其他：

　　　　1、命令式语言是依据冯诺依曼结构的，但是函数式语言并没有，所以说在当前的体系结构上，函数式语言的优势体现的并不明显，还是难以取代命令式语言

　　　　2、纯函数式语言现在很少，大多引入了命令式语言的特性

　　　　3、函数式语言近来被关注的越来越多，也正是因为命令式语言加入了对其的支持

　　　　4、理解函数式语言，最重要的就是理解它的设计尽可能的依照了数学函数的思想