函數(shù)式編程的基本特性

　本文簡(jiǎn)單介紹了一下函數(shù)式編程的各種基本特性，希望能夠?qū)τ跍?zhǔn)備使用函數(shù)式編程的人起到一定入門(mén)作用。
　　
　　函數(shù)式編程，一個(gè)一直以來(lái)都酷，很酷，非?？岬拿~。雖然誕生很早也炒了很多年但是一直都沒(méi)有造成很大的水花，不過(guò)近幾年來(lái)隨著多核，分布式，大數(shù)據(jù)的發(fā)展，函數(shù)式編程已經(jīng)廣泛投入到了實(shí)戰(zhàn)中。
　　然而現(xiàn)實(shí)中還是有不少人不太了解這種編程范式，覺(jué)得這僅僅是一個(gè)逼格較高的名詞。我們這里就來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下這個(gè)舉手投足都充滿酷勁的小東西。
　　本文之后的代碼主要以 Java 和 Scala 為主，前者說(shuō)明如何在非函數(shù)式語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)函數(shù)式風(fēng)格，后者說(shuō)明在函數(shù)式語(yǔ)言中是如何做的。代碼比較簡(jiǎn)單，無(wú)論你是否懂這兩門(mén)語(yǔ)言，相信都能很容易看懂。此外由于函數(shù)式編程這幾個(gè)詞太長(zhǎng)了，以下都以 FP 進(jìn)行簡(jiǎn)寫(xiě)。
　　特性
　　函數(shù)是一等公民
　　所謂的函數(shù)是一等公民指的是在 FP 中，函數(shù)可以作為直接作為變量的值。
　　例
　　Scala
　　val add = （x： Int， y： Int） =》 x + y
　　add（1， 2）
　　以上我們定義了一個(gè)負(fù)責(zé)將兩個(gè)整型相加的匿名函數(shù)并賦值給變量 add，并且直接將這個(gè)變量當(dāng)前函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，這在大部分面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言中你都是無(wú)法直接這樣做的。
　　Java
　　interface Adder {
　　int add（int x， int y）;
　　}
　　Adder adder = （x， y） -》 x + y;
　　adder.add（1， 2）;
　　由于 Java 并不是函數(shù)式語(yǔ)言，所以無(wú)法直接將函數(shù)賦值給變量，因此以上例子中我們使用 SAM 轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)近似功能。
　　閉包
　　閉包是一種帶有自由變量的代碼塊，其最根本的功能就是能夠擴(kuò)大局部變量的生命周期。閉包相信很多人都很熟悉，在 Java 中閉包無(wú)處不在，是一種很好用但是一不注意就會(huì)掉坑里的特性。
　　例
　　Scala
　　var factor = 10
　　factor = factor * 10
　　val multiplier = （x： Int） =》 x * factor
　　以上例子中函數(shù)體使用了兩個(gè)參數(shù)，其中 x 只是很普通的函數(shù)參數(shù)，而 factor 則是函數(shù)體外定義的一個(gè)局部變量，且該變量可以任意進(jìn)行修改，所以對(duì) factor 的引用使該函數(shù)變成了一個(gè)閉包。
　　Java
　　int factor = 10;
　　// factor = factor * 10;
　　Multiplier multiplier = （x） -》 x * factor;
　　在 Java 中匿名函數(shù)只能引用外部的 final 變量，Java 8 雖然可以省略 final 關(guān)鍵字，但是實(shí)際還是沒(méi)有任何變化，所以第二句語(yǔ)句必須注釋掉。這也就是說(shuō)在 Java 中實(shí)際是無(wú)法使用自由變量的，因此 Java 是否有真正的閉包一直都是一個(gè)爭(zhēng)論點(diǎn)，這里就不多牽扯了。
　　惰性求值 Lazy Evaluation
　　一般而言成員變量在實(shí)例創(chuàng)建時(shí)就會(huì)被初始化，而惰性求值可以將初始化的過(guò)程延遲到變量的第一次使用，對(duì)于成員變量的值需要經(jīng)過(guò)大量計(jì)算的類來(lái)說(shuō)可以有效加快實(shí)例的創(chuàng)建過(guò)程。
　　例
　　Scala
　　lazy val lazyField = {
　　var sum = 0
　　for （i 《- 1 to 100） {
　　sum += i
　　}
　　sum
　　}
　　在 Scala 中是通過(guò)關(guān)鍵字 lazy 來(lái)聲明惰性求值的。在以上例子中定義了一個(gè)從 1 加到 100 的惰性變量，在第一次訪問(wèn)該變量時(shí)這個(gè)計(jì)算過(guò)程才會(huì)被執(zhí)行。
　　Java
　　Supplier《Integer》 lazyField = （） -》 {
　　int sum = 0;
　　for （int i = 1; i 《= 100; i++） {
　　sum += i;
　　}
　　return sum;
　　};
　　Java 雖然在語(yǔ)言層面沒(méi)有提供該功能，但是可以通過(guò) Java 8 提供的 Supplier 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的功能。
　　尾遞歸 Tail Recursion
　　遞歸大家都知道，就是函數(shù)自己調(diào)用自己。
　　例
　　定義一個(gè)遞歸函數(shù)
　　def addOne（i： Int） {
　　if （i 》 3） return
　　println（s“before $i”）
　　addOne（i + 1）
　　println（s“after $i”）
　　}
　　調(diào)用以上函數(shù)并傳入?yún)?shù) 3 會(huì)打印如下語(yǔ)句
　　before 1
　　before 2
　　before 3
　　after 3
　　after 2
　　after 1
　　這就是遞歸的基本形式。在每次遞歸調(diào)用時(shí)程序都必須保存當(dāng)前的方法調(diào)用棧，即調(diào)用 addOne（2） 時(shí)程序必須記住之前是如何調(diào)用 addOne（1） 的，這樣它才能在執(zhí)行完 addOne（2） 后返回到 addOne（1） 的下一條語(yǔ)句并打印 after 1。因此在 Java 等語(yǔ)言中遞歸一來(lái)影響效率，二來(lái)消耗內(nèi)存，調(diào)用次數(shù)過(guò)多時(shí)會(huì)引起方法棧溢出。
　　而尾遞歸指的就是只在函數(shù)的最后一個(gè)語(yǔ)句調(diào)用遞歸。這樣的好處是可以使用很多 FP 語(yǔ)言都支持的尾遞歸優(yōu)化或者叫尾遞歸消除，即遞歸調(diào)用時(shí)直接將函數(shù)的調(diào)用者傳入到下一個(gè)遞歸函數(shù)中，并將當(dāng)前函數(shù)彈出棧中，在最后一次遞歸調(diào)用完畢后直接返回傳入的調(diào)用者處而不是返回上一次遞歸的調(diào)用處。
　　用簡(jiǎn)單的示意圖即是由原來(lái)的
　　line xxx， call addOne -》 addOne（1） -》 addOne（2） -》 addOne（3） -》 addOne（2） -》 addOne（1） -》 line xxx
　　優(yōu)化為
　　line xxx， call addOne -》 addOne（1） -》 addOne（2） -》 addOne（3） -》 line xxx
　　純函數(shù) Pure Function
　　純函數(shù)并不是 FP 的特性，而是 FP 中一些特性的集合。所謂的純函數(shù)簡(jiǎn)單來(lái)講就是函數(shù)不能有副作用，保證引用透明。即函數(shù)本身不會(huì)修改參數(shù)的值也不會(huì)修改函數(shù)外的變量，無(wú)論執(zhí)行多少次，同樣的輸入都會(huì)有同樣的輸出。
　　例
　　定義三個(gè)函數(shù)
　　def add（x： Int， y： Int） = x + y
　　def clear（list： mutable.MutableList）： Unit = {
　　list.clear（）
　　}
　　def random（） = Random.nextInt（）
　　以上代碼中定義了三個(gè)函數(shù)，其中 add（） 符合純函數(shù)的定義；clear（） 會(huì)清除傳入的 List 的所有元素，所以不是純函數(shù)；random（） 無(wú)法保證每次調(diào)用都產(chǎn)生同樣的輸入，所以也不是純函數(shù)。
　　高階函數(shù) High-Order Function
　　高階函數(shù)指一個(gè)函數(shù)的參數(shù)是另一個(gè)函數(shù)，或者一個(gè)函數(shù)的返回值是另一個(gè)函數(shù)。
　　例
　　參數(shù)為函數(shù)
　　def assert（predicate： （） =》 Boolean） =
　　if （！predicate（））
　　throw new RuntimeException（“assert failed”）
　　assert（（） =》 1 == 2）
　　以上函數(shù) assert（） 接收一個(gè)匿名函數(shù) （） =》 1 == 2 作為參數(shù)，本質(zhì)上是應(yīng)用了傳名調(diào)用的特性。
　　返回值為函數(shù)
　　def create（）： Int =》 Int = {
　　val factor = 10
　　（x： Int） =》 x * factor
　　}
　　集合操作 Collection
　　集合操作可以說(shuō)是 FP 中最常用的一個(gè)特性，激進(jìn)的 FP 擁護(hù)者甚至認(rèn)為應(yīng)該使用 foreach 替代所有循環(huán)語(yǔ)句。這些集合操作本質(zhì)上就是多個(gè)內(nèi)置的高階函數(shù)。
　　例
　　Scala
　　val list = List（1， 2， 3）
　　list.map（i =》 {
　　println（s“before $i”）
　　i * 2
　　}）.map（i =》 i + 1）
　　.foreach（i =》 println（s“after $i”））
　　以上定義了一個(gè)包含三個(gè)整形的列表，依次對(duì)其中每個(gè)元素乘以 2 后再加 1，最后進(jìn)行打印操作。輸出結(jié)果如下：
　　before 1
　　before 2
　　before 3
　　after 3
　　after 5
　　after 7
　　可以看到 FP 中的集合操作關(guān)注的是數(shù)據(jù)本身，至于如何遍歷數(shù)據(jù)這一行為則是交給了語(yǔ)言內(nèi)部機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。相比較 for 循環(huán)來(lái)說(shuō)這有兩個(gè)比較明顯的優(yōu)點(diǎn)：1. 一定程度上防止了原數(shù)據(jù)被修改，2. 不用關(guān)心遍歷的順序。這樣用戶可以在必要時(shí)將操作放到多線程中而不用擔(dān)心引起一些副作用，編譯器也可以在編譯時(shí)自行對(duì)遍歷進(jìn)行深度優(yōu)化。
　　Java
　　List《Integer》 list = new ArrayList《》（）;
　　list.add（1）;
　　list.add（2）;
　　list.add（3）;
　　list.stream（）
　　.map（i -》 {
　　System.out.println（“before ” + i）;
　　return i * 2;
　　}）.map（i -》 i + 1）
　　.forEach（i -》 System.out.println（“after ” + i））;
　　輸出
　　before 1
　　after 3
　　before 2
　　after 5
　　before 3
　　after 7
　　可以從以上輸出看到對(duì)于集合操作 Scala 和 Java 的實(shí)現(xiàn)完全不一樣。
　　Scala 中一個(gè)操作中的所有數(shù)據(jù)完成處理后才流向下一個(gè)操作，可以看做每個(gè)操作都是一個(gè)關(guān)卡。而 Java 則是默認(rèn)使用了惰性求值的方式，并且概念非常類似 Spark。其各種集合操作主要分為兩種： transformation 和 action。transformation 即轉(zhuǎn)換操作，所有返回 Stream 對(duì)象的函數(shù)都是 transformation 操作，該操作不會(huì)立即執(zhí)行，而是將執(zhí)行步驟保存在 Stream 對(duì)象中。action 即執(zhí)行操作，action 沒(méi)有返回值，調(diào)用后會(huì)立即執(zhí)行之前 Stream 對(duì)象中保存的所有操作。 map（） 這樣的就是 transformation 操作，forEach（） 就是 action 操作。
　　柯理化 Currying
　　柯里化指的是將一個(gè)接收多個(gè)參數(shù)的函數(shù)分解成多個(gè)接收單個(gè)參數(shù)的函數(shù)的一種技術(shù)。
　　比如說(shuō)有這樣一個(gè)普通的函數(shù)
　　def minus（x： Int， y： Int） = x - y
　　柯理化后就變成以下形式，一個(gè)減法操作被分割為兩部分
　　def minusCurrying（x： Int）（y： Int） = x - y
　　調(diào)用以上兩個(gè)函數(shù)
　　minus（5， 3）
　　minusCurrying（5）（3）
　　部分應(yīng)用 Function Partial Application
　　函數(shù)的部分應(yīng)用指的是向一個(gè)接收多個(gè)參數(shù)的函數(shù)傳入部分參數(shù)從而獲得一個(gè)接收剩余參數(shù)的新函數(shù)的技術(shù)。
　　比如說(shuō)有這樣一個(gè)包含多個(gè)參數(shù)的函數(shù)
　　defshow（prefix： String， msg： String， postfix： String） = prefix + msg + postfix
　　獲得部分應(yīng)用函數(shù)
　　val applyPrefix = show（“（”， _： String， _： String）
　　println（applyPrefix（“foo”， “）”）） // （foo）
　　val applyPostfix = show（_： String， _： String， “）”）
　　println（applyPostfix（“（”， “bar”）） // （bar）
　　以上 applyPrefix（） 是應(yīng)用了 show（） 的第一個(gè)參數(shù)的新函數(shù)，applyPostfix（） 是應(yīng)用了 show（） 的最后一個(gè)參數(shù)的新函數(shù)。
　　偏函數(shù) Partial Function
　　函數(shù)指對(duì)于所有給定類型的輸入，總是存在特定類型的輸出。
　　偏函數(shù)指對(duì)于某些給定類型的輸入，可能沒(méi)有對(duì)應(yīng)的輸出，即偏函數(shù)無(wú)法處理給定類型范圍內(nèi)的所有值。
　　定義一個(gè)偏函數(shù)
　　val isEven： PartialFunction［Int， String］ = {
　　case x if x ！= 0 && x % 2 == 0 =》 x + “ is even”
　　}
　　以上 isEven（） 只能處理偶數(shù)，對(duì)于奇數(shù)則無(wú)法處理，所以是一個(gè)偏函數(shù)。
　　偏函數(shù)可以用于責(zé)任鏈模式，每個(gè)偏函數(shù)只處理部分類型的數(shù)據(jù)，其余類型的數(shù)據(jù)由下一個(gè)偏函數(shù)進(jìn)行處理。
　　val isOdd： PartialFunction［Int， String］ = {
　　case x if x % 2 ！= 0 =》 x + “ is odd”
　　}
　　val other： PartialFunction［Int， String］ = {
　　case _ =》 “else”
　　}
　　val partial = isEven orElse isOdd orElse other
　　println（partial（3）） // 3 is odd
　　println（partial（0）） // else
　　尾聲
　　除了以上特性，函數(shù)式編程中還有 Monoid，SemiGroup 等比較難以理解的概念，本文暫時(shí)不牽扯那么深，留待有興趣的人自行調(diào)查。最后我想說(shuō)的是使用函數(shù)式編程的確很坂本，但是多了解一種編程范式對(duì)于從碼農(nóng)進(jìn)化為碼農(nóng)++還是很有幫助的。
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