函数式编程Functional programming

要说到函数式编程是什么?

网上搜索一下，你会轻松找到好多答案。

定义

1

与面向对象编程(Object-oriented programming)和过程式编程(Procedural programming)并列的编程范式。

2

最主要的特征是，函数是第一等公民。只有纯的、没有副作用的函数，才是合格的函数。

3

强调将计算过程分解成可复用的函数，典型例子就是map方法和reduce方法组合而成 MapReduce 算法。

上面这些说法都对，但还不够，都没有回答下面这个更深层的问题。

为什么要这样做？

函数式编程与命令式编程最大的不同其实在于：

函数式编程关心数据的映射，命令式编程关心解决问题的步骤

这里的映射就是数学上「函数」的概念——一种东西和另一种东西之间的对应关系。

这也是为什么「函数式编程」叫做「函数」式编程。

这是什么意思呢？

假如，现在你来到 google 面试，面试官让你把二叉树镜像反转一下

几乎不假思索的，就可以写出这样的 Python 代码：

它的含义是：首先判断节点是否为空；然后翻转左树；然后翻转右树；最后左右互换。

这就是命令式编程——你要做什么事情，你得把达到目的的步骤详细的描述出来，然后交给机器去运行。

这也正是命令式编程的理论模型——图灵机的特点。一条写满数据的纸带，一条根据纸带内容运动的机器，机器每动一步都需要纸带上写着如何达到。

那么，不用这种方式，如何翻转二叉树呢？

函数式思维提供了另一种思维的途径——

所谓“翻转二叉树”，可以看做是要得到一颗和原来二叉树对称的新二叉树。

这颗新二叉树的特点是每一个节点都递归地和原树相反。

用haskell表达

函数式python表示

意义

这段代码体现的思维，就是旧树到新树的映射——对一颗二叉树而言，它的镜像树就是左右节点递归镜像的树。

这段代码最终达到的目的同样是翻转二叉树，但是它得到结果的方式和 命令式python 代码有着本质的差别：通过描述一个 旧树->新树 的映射，而不是描述「从旧树得到新树应该怎样做」来达到目的。

最近和一些同学讨论了函数式编程，很多同学总觉得听起来很高大上，

但用起来却无从下手。于是我抽时间捋了捋，

将平时工作中用到的函数式编程案例和思想整理了出来，

相信阅读本文后，大家都能快速上手函数式编程。

函数式编程目前使用范围非常广，常用的框架，语言几乎都能看到它的身影。

前端框架：react、vue 的 hooks 用法。

打包工具：webpack 的 webpack-chain 用法。

工具库：underscore、lodash、ramda。

部署方式：serverless。

后端：java、c# 中的 lamda 表达式。

编程范式

01

定义

编程范式 指的是一种编程风格，它描述了程序员对程序执行的看法。在编程的世界中，同一个问题，可以站在多个角度去分析解决，这些不同的解决方案就对应了不同的编程风格。

02

常见

• 命令式编程
  • 面向过程编程
    • C
  • 面向对象编程
    • C++、C#、Java
• 声明式编程
  • 函数式编程
    • Haskell

命令式编程

01

定义

命令式编程 是使用最广的一种编程风格，它是站在计算机的角度去思考问题，主要思想是 关注计算机执行的步骤，即一步一步告诉计算机先做什么再做什么。

02

特点

• 控制语句
  • 循环语句：while、for
  • 条件分支语句：if else、switch
  • 无条件分支语句：return、break、continue
• 变量
  • 赋值语句

03

案例

以上代码通过 5 个步骤，实现了数组的筛选，这并没有什么问题，但细心的同学可能会感到疑惑：这样写的代码量太长了，而且并不语义化，只有阅读完每一行的代码，才知道具体执行的是什么逻辑。

没错，这就是命令式编程的典型特点，除此之外，还有以下几点：

• 命令式编程的每一个步骤都可以由程序员定义，这样可以更精细化、更严谨地控制代码，从而提高程序的性能。
• 命令式编程的每一个步骤都可以记录中间结果，方便调试代码。
• 命令式编程需要大量的流程控制语句，在处理多线程状态同步问题时，容易造成逻辑混乱，通常需要加锁来解决。

声明式编程

声明式编程 同样是一种编程风格，它通过定义具体的规则，以便系统底层可以自动实现具体功能。主要思想是 告诉计算机应该做什么，但不指定具体要怎么做。

• 代码更加语义化，便于理解。
• 代码量更少。
• 不需要流程控制代码，如：for、while、if 等。

可以看到，声明式编程没有冗余的操作步骤，代码量非常少，并且非常语义化，当我们读到 filter 的时候，自然而然就知道是在做筛选。

在上述代码中，我们只是告诉计算机，我想查找 id 为 25 的同学，计算机就能给我们返回对应的数据了，至于是怎么查找出来的，我们并不需要关心，只要结果是正确的即可。

从除了上述例子之外，还有很多声明式编程的案例：

• html 用来声明了网页的内容。
• css 用来声明网页中元素的外观。
• 正则表达式，声明匹配的规则。

• 声明式编程不需要编写复杂的操作步骤，可以大大减少开发者的工作量。
• 声明式编程的具体操作都是底层统一管理，可以降低重复工作。
• 声明式编程底层实现的逻辑并不可控，不适合做更精细化的优化。

函数式编程

函数式编程 属于声明式编程中的一种，它的主要思想是 将计算机运算看作为函数的计算，也就是把程序问题抽象成数学问题去解决。

函数式编程中，我们可以充分利用数学公式来解决问题。也就是说，任何问题都可以通过函数(加减乘除)和数学定律(交换律、结合律等)，一步一步计算，最终得到答案。

函数式编程中，所有的变量都是唯一的值，就像是数学中的代数 x、y，它们要么还未解出来，要么已经被解出为固定值，所以对于：x=x+1 这样的自增是不合法的，因为修改了代数值，不符合数学逻辑。

除此之外，严格意义上的函数式编程也不包括循环、条件判断等控制语句，如果需要条件判断，可以使用三元运算符代替。

webpack-chain

可以看到，webpack-chain 可以通过链式的函数 api 来创建和修改 webpack 配置，从而更方便地创建和修改 webpack 配置。试想一下，如果一份 webpack 配置需要用于多个项目，但每个项目又有一些细微的不同配置，这个应该怎么处理呢？

如果使用 webpack-chain 去修改配置，一个函数 api 就搞定了，而使用命令式的编程，则需要去逐步遍历整个 webpack 配置文件，找出需要修改的点，才能进行修改，这无疑就大大减少了我们的工作量。

函数式编程特点

• 函数是一等公民
  • 函数可以和变量一样，可以赋值给其他变量，也可以作为参数，传入一个函数，或者作为别的函数返回值。
• 只用表达式，不用语句：
  • 表达式是一段单纯的运算过程，总是有返回值。
  • 语句是执行某种操作，没有返回值。
  • 也就是说，函数式编程中的每一步都是单纯的运算，而且都有返回值。
• 无副作用
  • 不会产生除运算以外的其他结果。
  • 同一个输入永远得到同一个数据。
• 不可变性
  • 不修改变量，返回一个新的值。
• 引用透明
  • 函数的运行不依赖于外部变量，只依赖于输入的参数。

以上的特点都是函数式编程的核心，基于这些特点，又衍生出了许多应 用场景：

• 纯函数：同样的输入得到同样的输出，无副作用。
• 函数组合：将多个依次调用的函数，组合成一个大函数，简化操作步骤。
• 高阶函数：可以加工函数的函数，接收一个或多个函数作为输入、输出一个函数。
• 闭包：函数作用域嵌套，实现的不同作用域变量共享。
• 柯里化：将一个多参数函数转化为多个嵌套的单参数函数。
• 偏函数：缓存一部分参数，然后让另一些参数在使用时传入。
• 惰性求值：预先定义多个操作，但不立即求值，在需要使用值时才去求值，可以避免不必要的求值，提升性能。
• 递归：控制函数循环调用的一种方式。
• 尾递归：避免多层级函数嵌套导致的内存溢出的优化。
• 链式调用：让代码更加优雅。

函数式编程常见案例

基于函数式编程的应用场景，我们来实现几个具体的案例。

01 丨 函数组合

02 丨 柯里化

03 丨 偏函数

缓存一部分参数，然后让另一些参数在使用时传入。

04 丨 惰性求值

预先定义多个操作，但不立即求值，在需要使用值时才去求值，可以避免不必要的求值，提升性能。

上述代码中,传统的求值会遍历2次，第一次遍历整个数组(8项)，筛选出小于10的项，输出[4,7,3,2]，第二次遍历这个数组[4,7,3,2]，输出[4,7,3]。如果使用惰性求值，则会先将预定义的所有操作放在一起进行判断，所以只需要遍历一次就可以了。在遍历时同时判断是否小于10的个数是否为3，当遍历到第5项时，就能输出[4,7,3]。相比传统求值遍历的8+4=12项，使用惰性求值只需要遍历5项，程序运行的效率也自然得到提升。

05 丨高阶函数

可以加工函数的函数(接收一个或多个函数作为输入、输出一个函数)。

06 丨 递归和尾递归

07 丨 链式调用

本文从编程范式开始，分析了函数式编程的定位，进一步引申出函数式编程的概念，然后基于一些工作中的案例，实战了函数式编程的应用场景，希望大家都能轻松地认识函数式编程。