函数式编程初探

来源:阮一峰

诞生50多年之后,函数式编程(functional programming)开始获得越来越多的关注。

不仅最古老的函数式语言Lisp重获青春,而且新的函数式语言 层出不穷,比如Erlang、clojure、Scala、F#等等。目前最当红的Python、Ruby、Javascript,对函数式编程的支持都 很强,就连老牌的面向对象的Java、面向过程的PHP,都忙不迭地加入对匿名函数的支持。越来越多的迹象表明,函数式编程已经不再是学术界的最爱,开始 大踏步地在业界投入实用。

也许继”面向对象编程”之后,”函数式编程”会成为下一个编程的主流范式(paradigm)。未来的程序员恐怕或多或少都必须懂一点。

函数式编程初探

但是,”函数式编程”看上去比较难,缺乏通俗的入门教程,各种介绍文章都充斥着数学符号和专用术语,让人读了如坠云雾。就连最基本的问题”什么是函数式编程”,网上都搜不到易懂的回答。

下面是我的”函数式编程”学习笔记,分享出来,与大家一起探讨。内容不涉及数学(我也不懂Lambda Calculus),也不涉及高级特性(比如lazy evaluationcurrying),只求尽量简单通俗地整理和表达,我现在所理解的”函数式编程”以及它的意义。

我主要参考了Slava Akhmechet的“Functional Programming For The Rest of Us”

一、定义

简单说,”函数式编程”是一种“编程范式”(programming paradigm),也就是如何编写程序的方法论。

它属于“结构化编程”的一种,主要思想是把运算过程尽量写成一系列嵌套的函数调用。举例来说,现在有这样一个数学表达式:

(1 + 2) * 3 – 4

传统的过程式编程,可能这样写:

var a = 1 + 2;

var b = a * 3;

var c = b – 4;

函数式编程要求使用函数,我们可以把运算过程定义为不同的函数,然后写成下面这样:

  var result = subtract(multiply(add(1,2), 3), 4);

这就是函数式编程。

二、特点

函数式编程具有五个鲜明的特点。

1. 函数是”第一等公民”

所谓“第一等公民”(first class),指的是函数与其他数据类型一样,处于平等地位,可以赋值给其他变量,也可以作为参数,传入另一个函数,或者作为别的函数的返回值。

举例来说,下面代码中的print变量就是一个函数,可以作为另一个函数的参数。

var print = function(i){ console.log(i);};

[1,2,3].forEach(print);

2. 只用”表达式”,不用”语句”

“表达式”(expression)是一个单纯的运算过程,总是有返回值;”语句”(statement)是执行某种操作,没有返回值。函数式编程要求,只使用表达式,不使用语句。也就是说,每一步都是单纯的运算,而且都有返回值。

原因是函数式编程的开发动机,一开始就是为了处理运算(computation),不考虑系统的读写(I/O)。”语句”属于对系统的读写操作,所以就被排斥在外。

当然,实际应用中,不做I/O是不可能的。因此,编程过程中,函数式编程只要求把I/O限制到最小,不要有不必要的读写行为,保持计算过程的单纯性。

3. 没有”副作用”

所谓“副作用”(side effect),指的是函数内部与外部互动(最典型的情况,就是修改全局变量的值),产生运算以外的其他结果。

函数式编程强调没有”副作用”,意味着函数要保持独立,所有功能就是返回一个新的值,没有其他行为,尤其是不得修改外部变量的值。

4. 不修改状态

上一点已经提到,函数式编程只是返回新的值,不修改系统变量。因此,不修改变量,也是它的一个重要特点。

在其他类型的语言中,变量往往用来保存”状态”(state)。不修改变量,意味着状态不能保存在变量中。函数式编程使用参数保存状态,最好的例子就是递归。下面的代码是一个将字符串逆序排列的函数,它演示了不同的参数如何决定了运算所处的”状态”。

function reverse(string) {

    if(string.length == 0) {

      return string;

    } else {

      return reverse(string.substring(1, string.length)) + string.substring(0, 1);

    }

  }

由于使用了递归,函数式语言的运行速度比较慢,这是它长期不能在业界推广的主要原因。

5. 引用透明

引用透明(Referential transparency),指的是函数的运行不依赖于外部变量或”状态”,只依赖于输入的参数,任何时候只要参数相同,引用函数所得到的返回值总是相同的。

有了前面的第三点和第四点,这点是很显然的。其他类型的语言,函数的返回值往往与系统状态有关,不同的状态之下,返回值是不一样的。这就叫”引用不透明”,很不利于观察和理解程序的行为。

三、意义

函数式编程到底有什么好处,为什么会变得越来越流行?

1. 代码简洁,开发快速

函数式编程大量使用函数,减少了代码的重复,因此程序比较短,开发速度较快。

Paul Graham在《黑客与画家》一书中写道:同样功能的程序,极端情况下,Lisp代码的长度可能是C代码的二十分之一。

如果程序员每天所写的代码行数基本相同,这就意味着,”C语言需要一年时间完成开发某个功能,Lisp语言只需要不到三星期。反过来说,如果某个新 功能,Lisp语言完成开发需要三个月,C语言需要写五年。”当然,这样的对比故意夸大了差异,但是”在一个高度竞争的市场中,即使开发速度只相差两三 倍,也足以使得你永远处在落后的位置。”

2. 接近自然语言,易于理解

函数式编程的自由度很高,可以写出很接近自然语言的代码。

前文曾经将表达式(1 + 2) * 3 – 4,写成函数式语言:

subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)

对它进行变形,不难得到另一种写法:

add(1,2).multiply(3).subtract(4)

这基本就是自然语言的表达了。再看下面的代码,大家应该一眼就能明白它的意思吧:

merge([1,2],[3,4]).sort().search(“2”)

因此,函数式编程的代码更容易理解。

3. 更方便的代码管理

函数式编程不依赖、也不会改变外界的状态,只要给定输入参数,返回的结果必定相同。因此,每一个函数都可以被看做独立单元,很有利于进行单元测试(unit testing)和除错(debugging),以及模块化组合。

4. 易于”并发编程”

函数式编程不需要考虑”死锁”(deadlock),因为它不修改变量,所以根本不存在”锁”线程的问题。不必担心一个线程的数据,被另一个线程修改,所以可以很放心地把工作分摊到多个线程,部署”并发编程”(concurrency)。

请看下面的代码:

 var s1 = Op1();

 var s2 = Op2();

 var s3 = concat(s1, s2);

由于s1和s2互不干扰,不会修改变量,谁先执行是无所谓的,所以可以放心地增加线程,把它们分配在两个线程上完成。其他类型的语言就做不到这一 点,因为s1可能会修改系统状态,而s2可能会用到这些状态,所以必须保证s2在s1之后运行,自然也就不能部署到其他线程上了。

多核CPU是将来的潮流,所以函数式编程的这个特性非常重要。

5. 代码的热升级

函数式编程没有副作用,只要保证接口不变,内部实现是外部无关的。所以,可以在运行状态下直接升级代码,不需要重启,也不需要停机。Erlang语言早就证明了这一点,它是瑞典爱立信公司为了管理电话系统而开发的,电话系统的升级当然是不能停机的。

(完)

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最新评论
  • 李顺杰   2013/07/16

    面向过程,面向对象,现在是函数式编程,这些都不能单独拿出来解释所有事物,但是当编程方式趋于完美之后,大家就可以很方便的选择合适的编程方式来写软件了

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