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本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“讀芯術(shù)”(ID：AI_Discovery)。
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函數(shù)式編程發(fā)展至今已有60年的歷史，但是截至目前，它仍然算是比較小眾。盡管像Google這樣的大公司依賴(lài)于函數(shù)式編程的關(guān)鍵概念，但是普通程序員對(duì)此幾乎一無(wú)所知。
這種情況即將改變了。不僅是Java或Python這樣的語(yǔ)言越來(lái)越多地采用了函數(shù)式編程的概念，類(lèi)似Haskell這樣的新語(yǔ)言也正在完全實(shí)現(xiàn)函數(shù)式編程。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，函數(shù)式編程就是為不可變變量構(gòu)建函數(shù)。與之相反，面向?qū)ο蟮木幊虅t是有一組相對(duì)固定的函數(shù)，而用戶(hù)主要是修改或添加新變量。
由于函數(shù)式編程的特性，它非常適合完成諸如數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)之類(lèi)的需求任務(wù)。但是這并不意味著用戶(hù)要告別面向?qū)ο蟮木幊?，轉(zhuǎn)而完全使用函數(shù)式編程。但用戶(hù)需要了解其基本原理，以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候使用它們以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。
一切都是為了消除副作用
要了解函數(shù)式編程，首先需要了解函數(shù)。函數(shù)是將輸入轉(zhuǎn)換為輸出的東西，它并不總是這么簡(jiǎn)單。下面看一個(gè)Python中的函數(shù)：
- def square(x):
- return x*x
這個(gè)函數(shù)很簡(jiǎn)單。它需要一個(gè)變量 x，或者是一個(gè)int，又或者是float或double，然后輸出該變量的平方。
現(xiàn)在再思考這個(gè)函數(shù)：
- lobal_list = []def append_to_list(x):
- global_list.append(x)
乍一看，該函數(shù)看起來(lái)像是接受了一個(gè)任意類(lèi)型的變量x，并且由于沒(méi)有 return 語(yǔ)句，它不會(huì)返回任何值。
請(qǐng)等一下!如果未事先定義global_list，那么該函數(shù)將不起作用，并且在經(jīng)過(guò)修改后仍輸出相同的列表。盡管global_list從未被視為函數(shù)的輸入，但使用函數(shù)時(shí)它也會(huì)發(fā)生改變：
- append_to_list(1)
- append_to_list(2)
- global_list
它將返回[1,2]而不是一個(gè)空列表。即使我們對(duì)此并不明確，但這表明該列表確實(shí)是該函數(shù)的輸入。這種不明確可能會(huì)造成問(wèn)題。
圖源：GitHub
不忠實(shí)于函數(shù)
這些隱含的輸入，或在其他情況下的輸出，有一個(gè)官方的名稱(chēng)：side effects(副作用)。雖然本文所舉的只是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，但是在更復(fù)雜的程序中，這些副作用可能會(huì)導(dǎo)致真正的困難。
請(qǐng)思考一下如何測(cè)試append_to_list：用戶(hù)不僅需要閱讀第一行并使用任意的x來(lái)測(cè)試函數(shù)，還需要閱讀整個(gè)定義，理解其作用，定義global_list并且以這種方式進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)需要處理帶有數(shù)千行代碼的程序時(shí)，此示例中的簡(jiǎn)單操作可能很快就會(huì)變得乏味無(wú)趣。
有一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法：忠于函數(shù)認(rèn)定為輸入的內(nèi)容。
- newlist = []def append_to_list2(x, some_list):
- some_list.append(x)append_to_list2(1,newlist)
- append_to_list2(2,newlist)
- newlist
它并沒(méi)有做出太大的改變。輸出仍然是[1,2]，并且其他所有內(nèi)容也保持不變。但是有一樣改變了：該代碼現(xiàn)在擺脫了副作用。
現(xiàn)在，當(dāng)查看函數(shù)聲明時(shí)，用戶(hù)能確切地知道發(fā)生了什么。因此，如果程序運(yùn)行不正常，用戶(hù)也可以輕而易舉地單獨(dú)測(cè)試每個(gè)功能，并查明哪個(gè)功能有問(wèn)題
函數(shù)式編程正在編寫(xiě)純函數(shù)
沒(méi)有副作用的函數(shù)是指其輸入和輸出都具有明確的聲明，而沒(méi)有副作用的功能就是純函數(shù)。
函數(shù)式編程一個(gè)非常簡(jiǎn)單的定義：僅用純函數(shù)編寫(xiě)程序。純函數(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)修改變量，而只會(huì)創(chuàng)建新的變量作為輸出。(筆者在上面的示例中稍微“作弊”了一下：它遵循函數(shù)式編程的原則，但仍使用全局列表。用戶(hù)可以找到更好的示例，但這只是基本原則。)
此外，對(duì)于給定輸入的純函數(shù)，可以得到特定的輸出。相反，不純函數(shù)則依賴(lài)于一些全局變量。因此，如果全局變量不同，則相同的輸入變量可能導(dǎo)致不同的輸出。不純函數(shù)會(huì)使代碼的調(diào)試和維護(hù)變得更加困難。
有一個(gè)更容易發(fā)現(xiàn)副作用的小竅門(mén)：由于每個(gè)函數(shù)都必須具有某種輸入和輸出，因此沒(méi)有任何輸入或輸出的函數(shù)聲明一定是不純的。如果采用函數(shù)式編程，這些則可能是第一批需要的更改聲明。
圖源：unsplash
函數(shù)式編程不僅只有Map和reduce
函數(shù)式編程中不包含循環(huán)結(jié)構(gòu)(Loops)，請(qǐng)看下面這些Python中的循環(huán)：
- integers = [1,2,3,4,5,6]
- odd_ints = []
- squared_odds = []
- total = 0for i in integers:
- if i%2 ==1
- odd_ints.append(i)for i inodd_ints:
- squared_odds.append(i*i)for i insquared_odds:
- total += i
相較于我們要執(zhí)行的簡(jiǎn)單操作，以上代碼明顯過(guò)長(zhǎng)。而且由于修改全局變量，它也不夠有效。我們可以用以下代碼替代：
- from functools import reduceintegers = [1,2,3,4,5,6]
- odd_ints = filter(lambda n: n % 2 == 1, integers)
- squared_odds = map(lambda n: n * n, odd_ints)
- total = reduce(lambda acc, n: acc + n, squared_odds)
這是完整的函數(shù)。因?yàn)椴恍枰粋€(gè)數(shù)組的許多元素，所以它更短也更快。而且，一旦了解了 filter、map和reduce 如何工作，代碼也就容易理解了。但這并不意味著所有函數(shù)代碼都使用map、reduce 等。這也不意味著需要借助函數(shù)式編程來(lái)理解map 和 reduce，這些函數(shù)只是在抽象循環(huán)時(shí)彈出很多。
- Lambda functions：談及函數(shù)式編程的發(fā)展史時(shí)，許多人都會(huì)先提及l(fā)ambda函數(shù)的發(fā)明。盡管，lambda毫無(wú)疑問(wèn)是函數(shù)式編程的基石，但這并不是根本原因。Lambda函數(shù)是可使程序發(fā)揮作用的工具。但是，lambda也可用于面向?qū)ο蟮木幊獭?/li>
- Static typing：上面的示例不屬于靜態(tài)輸入，而是函數(shù)式的。即使靜態(tài)類(lèi)型為代碼增加了一層額外的安全保護(hù)，但也并非一定要其函數(shù)化，不過(guò)這可能會(huì)是錦上添花。
一些語(yǔ)言對(duì)函數(shù)式編程更加友好
圖源：unsplash
(1) Perl
Perl對(duì)于副作用的處理方法與大多數(shù)編程語(yǔ)言截然不同。它包含一個(gè)神奇的參數(shù) $_，這使得處理副作用成為Perl核心功能之一。盡管Perl確實(shí)有其優(yōu)點(diǎn)，但作者不會(huì)嘗試使用它進(jìn)行函數(shù)式編程。
(2) Java
如果要用Java編寫(xiě)函數(shù)式代碼的話(huà)，只能自求多福了。因?yàn)樵摮绦虻囊话氩粌H將都是static 關(guān)鍵字，而且其他大多數(shù)Java開(kāi)發(fā)人員也會(huì)將此程序視為恥辱。
(3) Scala
Scala是一個(gè)很有趣的語(yǔ)言：它的目標(biāo)是統(tǒng)一面向?qū)ο蠛秃瘮?shù)式編程。很多人都覺(jué)得這很奇怪，因?yàn)楹瘮?shù)式編程旨在徹底消除副作用，而面向?qū)ο蟮木幊虅t試圖將副作用保留在對(duì)象內(nèi)部。
話(huà)雖如此，許多開(kāi)發(fā)人員將Scala視為一種可以幫助他們從面向?qū)ο缶幊踢^(guò)渡到函數(shù)式編程語(yǔ)言，這可能會(huì)幫助他們?cè)谖磥?lái)幾年更容易完全過(guò)渡到函數(shù)式編程。
(4) Python
Python積極鼓勵(lì)使用函數(shù)式編程。下列事實(shí)證明了這一點(diǎn)：每個(gè)函數(shù)在默認(rèn)情況下都有至少有一個(gè)輸入self。這就像是Python之禪：顯式比隱式好!
(5) Clojure
根據(jù)其創(chuàng)建者的說(shuō)法，Clojure的函數(shù)化達(dá)到80%。默認(rèn)情況下，正如在函數(shù)式編程中所需要的，它的所有值都是不可變的。但是，可以通過(guò)對(duì)這些不可變值使用可變值包裝類(lèi)來(lái)解決此問(wèn)題。當(dāng)打開(kāi)這樣的包裝類(lèi)，可變值將再次不可變。
(6) Haskell
這是極少數(shù)純函數(shù)式和靜態(tài)類(lèi)型的語(yǔ)言之一。盡管在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，但在調(diào)試程序時(shí)這些付出都會(huì)獲得巨大回報(bào)。它不像其他語(yǔ)言那樣容易學(xué)習(xí)，但是絕對(duì)值得花時(shí)間學(xué)習(xí)。
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與面向?qū)ο蟮木幊滔啾龋瘮?shù)式編程仍然小眾。但是，如果說(shuō)在Python和其他語(yǔ)言中加入函數(shù)式編程原理意味著什么的話(huà)，那就是函數(shù)式編程正越來(lái)越受到關(guān)注。這完全說(shuō)得通：函數(shù)式編程對(duì)于大型數(shù)據(jù)庫(kù)、并行編程和機(jī)器學(xué)習(xí)大有裨益。而在過(guò)去十年間，這些迎來(lái)了蓬勃發(fā)展。
雖然面向?qū)ο缶幊逃兄豢晒懒康膬?yōu)點(diǎn)，但函數(shù)代碼的優(yōu)點(diǎn)也不容忽視。只需要學(xué)習(xí)一些基本原理，就足以讓用戶(hù)成為一名開(kāi)發(fā)人員，并為未來(lái)做好準(zhǔn)備。
當(dāng)前文章：程序員為何與函數(shù)式編程“墜入愛(ài)河”?
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