python函数式编程模式_函数式编程指引

概述¶

本章介绍函数式编程的基本概念。如您仅想学习 Python 语言的特性，可跳过本章直接查看迭代器.

编程语言支持通过以下几种方式来解构具体问题：

大多数的编程语言都是过程式的，所谓程序就是一连串告诉计算机怎样处理程序输入的指令。C、Pascal 甚至 Unix shells 都是过程式语言。

在声明式语言中，你编写一个用来描述待解决问题的说明，并且这个语言的具体实现会指明怎样高效的进行计算。 SQL 可能是你最熟悉的声明式语言了。一个 SQL 查询语句描述了你想要检索的数据集，并且 SQL 引擎会决定是扫描整张表还是使用索引，应该先执行哪些子句等等。

面向对象程序会操作一组对象。对象拥有内部状态，并能够以某种方式支持请求和修改这个内部状态的方法。Smalltalk 和 Java 都是面向对象的语言。 C++ 和 Python 支持面向对象编程，但并不强制使用面向对象特性。

函数式编程则将一个问题分解成一系列函数。理想情况下，函数只接受输入并输出结果，对一个给定的输入也不会有影响输出的内部状态。著名的函数式语言有 ML 家族（Standard ML，Ocaml 以及其他变种）和 Haskell。

一些语言的设计者选择强调一种特定的编程方式。这通常会让以不同的方式来编写程序变得困难。其他多范式语言则支持几种不同的编程方式。Lisp，C++ 和 Python 都是多范式语言；使用这些语言，你可以编写主要为过程式，面向对象或者函数式的程序和函数库。在大型程序中，不同的部分可能会采用不同的方式编写；比如 GUI 可能是面向对象的而处理逻辑则是过程式或者函数式。

在函数式程序里，输入会流经一系列函数。每个函数接受输入并输出结果。函数式风格反对使用带有副作用的函数，这些副作用会修改内部状态，或者引起一些无法体现在函数的返回值中的变化。完全不产生副作用的函数被称作“纯函数”。消除副作用意味着不能使用随程序运行而更新的数据结构；每个函数的输出必须只依赖于输入。

一些语言对纯洁性要求非常严格，以至于没有像 a=3 或 c = a + b 这样的赋值表达式，但是完全消除副作用非常困难。比如，显示在屏幕上或者写到磁盘文件中都是副作用。举个例子，在 Python 里，调用函数 print() 或者 time.sleep() 并不会返回有用的结果；它们的用途只在于副作用，向屏幕发送一段文字或暂停一秒钟。

函数式风格的 Python 程序并不会极端到消除所有 I/O 或者赋值的程度；相反，他们会提供像函数式一样的接口，但会在内部使用非函数式的特性。比如，函数的实现仍然会使用局部变量，但不会修改全局变量或者有其他副作用。

函数式编程可以被认为是面向对象编程的对立面。对象就像是颗小胶囊，包裹着内部状态和随之而来的能让你修改这个内部状态的一组调用方法，以及由正确的状态变化所构成的程序。函数式编程希望尽可能地消除状态变化，只和流经函数的数据打交道。在 Python 里你可以把两种编程方式结合起来，在你的应用（电子邮件信息，事务处理）中编写接受和返回对象实例的函数。

函数式设计在工作中看起来是个奇怪的约束。为什么你要消除对象和副作用呢？不过函数式风格有其理论和实践上的优点：

形式证明。

模块化。

组合性。

易于调试和测试。

形式证明¶

一个理论上的优点是，构造数学证明来说明函数式程序是正确的相对更容易些。

很长时间，研究者们对寻找证明程序正确的数学方法都很感兴趣。这和通过大量输入来测试，并得出程序的输出基本正确，或者阅读一个程序的源代码然后得出代码看起来没问题不同；相反，这里的目标是一个严格的证明，证明程序对所有可能的输入都能给出正确的结果。

证明程序正确性所用到的技术是写出不变量，也就是对于输入数据和程序中的变量永远为真的特性。然后对每行代码，你说明这行代码执行前的不变量 X 和 Y 以及执行后稍有不同的不变量 X' 和 Y' 为真。如此一直到程序结束，这时候在程序的输出上，不变量应该会与期望的状态一致。

函数式编程之所以要消除赋值，是因为赋值在这个技术中难以处理；赋值可能会破坏赋值前为真的不变量，却并不产生任何可以传递下去的新的不变量。

不幸的是，证明程序的正确性很大程度上是经验性质的，而且和 Python 软件无关。即使是微不足道的程序都需要几页长的证明；一个中等复杂的程序的正确性证明会非常庞大，而且，极少甚至没有你日常所使用的程序（Python 解释器，XML 解析器，浏览器）的正确性能够被证明。即使你写出或者生成一个证明，验证证明也会是一个问题；里面可能出了差错，而你错误地相信你证明了程序的正确性。

模块化¶

函数式编程的一个更实用的优点是，它强制你把问题分解成小的方面。因此程序会更加模块化。相对于一个进行了复杂变换的大型函数，一个小的函数更明确，更易于编写, 也更易于阅读和检查错误。

易于调试和测试¶

测试和调试函数式程序相对来说更容易。

调试很简单是因为函数通常都很小而且清晰明确。当程序无法工作的时候，每个函数都是一个可以检查数据是否正确的接入点。你可以通过查看中间输入和输出迅速找到出错的函数。

测试更容易是因为每个函数都是单元测试的潜在目标。在执行测试前，函数并不依赖于需要重现的系统状态；相反，你只需要给出正确的输入，然后检查输出是否和期望的结果一致。

组合性¶

当你编写函数式风格的程序时，你会写出很多带有不同输入和输出的函数。其中一些不可避免地会局限于特定的应用，但其他的却可以广泛的用在程序中。举例来说，一个接受文件夹目录返回所有文件夹中的 XML 文件的函数；或是一个接受文件名，然后返回文件内容的函数，都可以应用在很多不同的场合。

久而久之你会形成一个个人工具库。通常你可以重新组织已有的函数来组成新的程序，然后为当前的工作写一些特殊的函数。

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