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函數式編程

王晗 / 2228人閱讀

摘要:函數式編程是聲明式而不是命令式,并且應用程序狀態通過純函數流轉。與面向對象編程不同,函數式編程避免共享狀態,它依賴于不可變數據結構和純粹的計算過程來從已存在的數據中派生出新的數據。而函數式編程傾向于復用一組通用的函數功能來處理數據。

面向對象編程和面向過程編程都是編程范式,函數式編程也是一種編程范式,意味著它們都是軟件構建的思維方式。與命令式或面向對象代碼相比,函數式代碼傾向于更簡潔、更可預測以及更易于測試。

什么是函數式編程 (通常簡稱為 FP)

是指通過復合純函數來構建軟件的過程,它避免了共享的狀態易變的數據、以及副作用。函數式編程是聲明式而不是命令式,并且應用程序狀態通過純函數流轉。

理解函數式編程中核心概念

純函數(Pure functions)

函數復合(Function composition)

避免共享狀態(Avoid shared state)

避免改變狀態(Avoid mutating state)

避免副作用(Avoid side effects)

聲明式與命令式(Declarative and Imperative)

純函數

純函數是滿足如下條件的函數:

相同輸入總是會返回相同的輸出

不產生副作用

不依賴于外部狀態

JS中純函數的例子:

String.prototype.toUpperCase  
Array.prototype.map
Function.prototype.bind

JS中非純函數的例子:

Date.now
Math.random
Array.prototype.sort
document.body.appendChild

純函數的好處:

易于測試(上下文無關)

可并行計算(時序無關)

bug 自限性(問題不會擴散)

函數復合

函數復合是結合兩個或多個函數,從而產生一個新函數或進行某些計算的過程。

在 JavaScript 中相當于執行 f(g(x))。

共享狀態

共享狀態 的意思是:任意變量、對象或者內存空間存在于共享作用域(包括全局作用域和閉包作用域)下,或者作為對象的屬性在各個作用域之間被傳遞。

通常,在面向對象編程中,對象以添加屬性到其他對象上的方式在作用域之間共享。與面向對象編程不同,函數式編程避免共享狀態,它依賴于不可變數據結構和純粹的計算過程來從已存在的數據中派生出新的數據。
共享狀態的一個常見問題是改變函數調用次序函數調用的次序可能會改變函數調用的結果,進而可能導致一連串的錯誤:

const x = {
  val: 2
};
const x1 = () => x.val += 1;
const x2 = () => x.val *= 2;
x1(); // -> 3
x2(); // -> 6

下面的例子與上面的相同,除了函數調用的次序不同:

const x = {
  val: 2
};
const x1 = () => x.val += 1;
const x2 = () => x.val *= 2;
x2(); // -> 4
x1(); // -> 5

如果避免共享狀態,就不會改變函數內容,或者改變函數調用的時序不會波及和破壞程序的其他部分:

const x = {
  val: 2
};
const x1 = x => Object.assign({}, x, { val: x.val + 1});
const x2 = x => Object.assign({}, x, { val: x.val * 2});

x1(x); // -> 3
x2(x); // -> 4

/**
x2(x); // -> 4
x1(x); // -> 3
*/
不修改狀態

在其他類型的語言中,變量往往用來保存"狀態"。而函數式編程只是返回新的值,不修改系統變量,即是無破壞性的數據轉換。

副作用

副作用是指除了函數返回值以外,任何在函數調用之外觀察到的應用程序狀態改變。

副作用包括:

改變了任何外部變量或對象屬性

寫文件

發網絡請求

在屏幕輸出

調用另一個有副作用的函數

在函數式編程中,副作用被盡可能避免。

聲明式與命令式

命令式:程序花費大量代碼來描述用來達成期望結果的特定步驟,即"How to do"

聲明式:程序抽象了控制流過程,花費大量代碼描述的是數據流,即"What to do"

函數式編程是一個聲明式范式,意思是說程序邏輯不需要通過明確描述控制流程來表達。
命令式:

let list = [1, 2, 3, 4];
let map1 = [];
for (let i = 0; i < list.length; i++) {
  map1.push(list[i] * 2);
}

聲明式:

let list = [1, 2, 3, 4];
let map2 = list.map(x => 2 * x);

再來看聲明式例子中引出的兩個重要概念:

在講容器前不得不提什么是范疇:

彼此之間存在某種關系的概念、事物、對象等等,都構成"范疇"。

范疇的數學模型簡單理解就是:"集合 + 函數"。

容器(Container):可以把"范疇"想象成是一個容器,里面包含:值和值的變形(函數)

函子(Functor):是一個有接口的容器,能夠遍歷其中的值。能夠將容器里面的每一個值,映射到另一個容器。

函數式編程的應用

在函數式編程中,通常使用functors以及使用高階函數抽象來創建通用功能函數,以處理任意數值或不同類型的數據。

高階函數

高階函數指的是一個函數以函數為參數,或以函數為返回值,或者既以函數為參數又以函數為返回值。

高階函數常用于:

部分應用于函數參數(偏函數應用)或創建一個柯里化的函數,用于復用或函數復合

接受一個函數列表并返回一些由這個列表中的函數組成的復合函數。

面向對象編程傾向于把方法和數據集中到對象上。那些被集中的方法通常只能用來操作包含在特定對象實例上的數據。而函數式編程傾向于復用一組通用的函數功能來處理數據。

偏函數

通過指定部分參數來產生一個新定制函數的形式就是偏函數。

const isType = function (type) {
  return function (obj) {
    return toString.call(obj) == "[object" + type + "]";
  };
};

const isString = isType("string");
const isFunction = isType("function");
柯里化

柯里化是將一個多參數函數轉換成多個單參數函數。

// 柯里化之前
function add(x, y) {
  return x + y;
}

add(1, 2) // 3

// 柯里化之后
function addX(y) {
  return function (x) {
    return x + y;
  };
}

addX(2)(1) // 3
函數的復合

如果一個值要經過多個函數,才能變成另外一個值,就可以把所有中間步驟合并成一個函數,這叫做"函數的復合"。

一個簡單的函數的復合例子:

const compose = function (f, g) {
  return function (x) {
    return f(g(x));
  };
}

實現一個高階函數用來減少非純函數:

function batch (fn) {
  return function (target, ...args) {
    if (target.length >= 0) {
      return Array.from(target).map(item => fn.apply(this, [item, ...args]));
    } else {
      return fn.apply(this, [target, ...args]);
    }
  }
}

例如:兩個非純函數 -> batch(fn) -> 一個非純函數

結論

函數式編程偏好:

使用表達式替代語句

讓可變數據成為不可變的

用函數復合替代命令控制流

使用聲明式而不是命令式代碼

使用純函數而不是使用共享狀態和副作用

使用容器與高階函數替代多態

使用高階函數來操作許多數據類型,創建通用、可復用功能取代只是操作集中的數據的方法

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