函数式编程初窥

 　　最近在学习Erlang和Python。Erlang是彻底的函数式编程语言，Python语言是面向对象的语言，可是它的语法引入了大量的函数式编程思想。越研究越以为函数式的编程思路能够帮助咱们规避不少Bug，因此在这里对函数式编程作一个简要的介绍。分析函数式编程的特色、方法论，使用的技术，以及同面向对象编程的异同。

 

—一、函数式编程简介

 

背景

　　函数式编程诞生于50多年前。如今愈来愈多的人开始接受并进行函数式编程的实践。不只最古老的函数式语言 Lisp 重获青春，并且新的函数式语言层出不穷，好比 Erlang、clojure、Scala、F#等等。目前最当红的Objective-C, Python、Ruby、 Javascript都引入了对函数式编程的支持。就连老牌的面向对象的 Java、面向过程的 PHP, 以及苹果最新的swift语言，都忙不迭地加入匿名函数等机制。

　　愈来愈多的迹象代表，函数式编程已经再也不是学术界的最爱，开始大踏步地在业界投入实用。 也许继面向对象编程以后，函数式编程会成为下一个编程的主流范式。

　　说到函数式编程编程就不得不说面向对象。面向对象是把一个功能的一组操做和相关数据封装在一个对象里，面向对象是对象满天飞。函数式编程是把一个功能的一个操做和相关数据封装在一块儿，函数式编程是函数满天飞。函数式编程比面向对象的优点就是粒度更小，生命周期更短。减小bug的有效途径就是减小变量的生命周期，缩小模块的粒度；因此函数式编程更不容易引入bug。

 

定义

　　是一种编程范型，它将计算机运算视为数学上的函数计算，而且避免使用程序状态以及易变对象。函数编程语言最重要的基础是λ演算（lambda calculus）。λ演算中最关键的要素就是函数被看成变量处理，可以参与运算。

 

价值观

• 函数式编程强调程序的执行结果比执行过程更重要。关注于描述问题，而不是怎么实现，隐藏实现细节。

• 化繁为简。利用若干简单的执行单元让计算结果不断渐进，逐层推导复杂的运算。

• —你的优秀和个人人生无关，请带着你的趾高气扬滚蛋吧。

 

　　下面是一个输出数组的例子　　

shoplist = ['apple','mango','carrot','banana']
print 'My shopping list is now', shoplist
#输出
#My shopping list is now ['banana', 'carrot', 'mango', 'rice']

　　这样的代码更易读，代码只是描述在干什么，而不是如何作到这点的具体实现。若是是过程式编程，须要一个for循环去描述实现细节。

 

　　函数式编程在解决复杂运算问题时，把一个问题分解为若干子问题，逐步求解。软件或程序的拼装会变得更为简单和直观。使代码更容易理解，方便排查问题，而且具备更好的可维护性和扩展性。

 

　　如今有这样一个数学表达式:

　　(1 + 2) * 3 - 4

 

　　传统的过程式编程:

　　var a = 1 + 2;

　　var b = a * 3;

　　var c = b - 4;

 

　　函数式编程要求使用函数,咱们能够把运算过程定义为不一样的函数,而后写成下面这样:

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

 

　　你的优秀和个人人生无关，请带着你的趾高气扬滚蛋吧。这个就是函数式编程的准则：函数不受外部变量影响，不依赖于外部变量，也不改变外部变量的值。

　　传统的过程式编程:

int count;
void increment()
{
    returen count++;
}

　　函数式编程：

def increment(count):
  return count+1;

　　函数不访问全局变量，也不改变全局变量。

 

 

二、函数式编程特性

 

　   封装、继承、多态是面向对象编程的三大特性。函数式编程也有本身的语言特性。

　　数据不可变性（immutable data）多有的变量只能够赋值一次，变量不可变，若是想改变变量就建立一个新的变量。

　　数据的不可变性保证了程序是无状态的，不少难解的bug每每是由各类复杂的状态引发的。好比发现某些状况下程序运行有问题，是某一个状态引发的，可是这个状态有100种可能性，在1000个地方都有对这个状态进行操做。debug的时候要杀人的心都有了。数据不可变性同时保证了函数没有“反作用”，函数的反作用是指除了返回函数值外，还对主调用函数

—

　　函数是第一公民（first class method）函数能够像普通变量同样去使用。函数能够像变量同样被建立，修改，并当成变量同样传递，返回或是在函数中嵌套函数。

—

　　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，任什么时候候只要参数相同，调用函数所获得的返回值老是相同的。自然适应并发编程，由于调用函数的结果具备一致性，因此根本不须要加锁，也就不存在死锁的问题。

—

　　—尾递归化（tail call optimization）由于函数调用要压栈保存现场，递归层次过深的话，压栈过多会产生性能问题。因此引入尾递归优化，每次递归时都会重用栈，提高性能。

　　

     把函数做为参数传递的例子

NSComparisonResult (^cmp)(id obj1, id obj2)  = ^NSComparisonResult(id obj1, id obj2) {
    return [obj1 isEqualToString:obj2];
}
NSArray* items = [@"a", @"c", @"d"];
[items sortedArrayUsingComparator:cmp];

　　sortedArrayUsingComparator方法负责排序，须要把比较的规则告诉他，将比较方法做为一个参数传到函数中进行运算。

 

 

—三、函数式编程技术（方法论）

 

• —映射化简（map & reduce）函数式编程最多见的技术就是对一个集合作Map和Reduce操做。这比起过程式的语言来讲，在代码上要更容易阅读。传统过程式的语言须要使用for/while循环，而后在各类变量中把数据倒过来倒过去的

—

• 管道    （pipeline）把一组函数放到一个数组或是列表中，而后把数据传给这个列表，数据就像一个pipeline同样顺序地被各个函数所操做，最终获得咱们想要的结果。他的设计哲学就是让每一个功能就作一件事，并把这件事作到极致，软件或程序的拼装会变得更为简单和直观。

 

• —递归    （recursing）递归最大的好处就简化代码，他能够把一个复杂的问题用很简单的代码描述出来。递归的精髓是描述问题，而这正是函数式编程的精髓。

 

• —柯里化  （currying）把一个函数的多个参数分解成多个函数， 而后把函数多层封装起来，每层函数都返回一个函数去接收下一个参数。

 

• —高阶函数（higher order function）把函数当参数，接受一个函数做为参数的函数就叫高阶函数。现象上就是函数传进传出。

 

　 map & reduce

　　Python代码：

def toUpper(item)
    return item.upper()
print map(tuUpper , [“hellow”,”world”])

　　将数组里的全部字符串变为大写，直接使用map，不须要写for循环。最后输出 ["HELLO","WORLD"] 

 

print reduce(lambda x , y : x + y,[1,2,3,4,5])

　　将数组里全部数值进行累加，至关于1+2+3+4+5，输出 15。

　　lambda是Python的匿名函数，lambda x,y:x+y至关于def func(x,y):return x+y

 

　 管道

　　若是有一个需求找出一组数中的全部偶数并对他们求平方，最后求他们的和，能够分解成三个步骤：

　　1）找偶数
　　2）求平方
　　3）累加

def even(nums):
     return filter(lambda x: x%2==0, nums)
def square(nums):
    return map(lambda x: x*x, nums)
def  total(nums):
    return reduce(lambda x,y:x+y,nums)

nums = [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
pipeline = total(square(even(nums)))

　　even方法求偶数，square求他们的平方，total方法将他们加在一块儿。经过管道的方式把他们串联在一块儿，一个复杂的处理就完成了。

　　让每一个方法只作一件事，并把这件事作到极致。

 

　 递归

　　在其余类型的语言中，变量每每用来保存状态。变量不可变，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。

void fun(const int i)
{
    if (i < 10 && i >= 0)
    {
        NSLog(@"i:%d", i);
        fun(i + 1);
    }
}

　　每次状态的变化就是值+1。

　　

　 柯里化

　　柯里化就是一个函数只有一个参数，那若是须要两个参数怎么办，好比两个数相加求和。经过把一个参数封装成函数的方式实现。　　

def func(a):
    def add(b):
        return a+b
    return add

funcA = func(5)
print funcA(10)

　　func函数返回一个add函数，funcA变量就是一个a为5的add函数。print funcA(10)就是向add函数传入10，最后结果就是5+10 输出15。

　　

 

—四、函数式编程意义

 

　　一、代码简洁，快速开发

　　 函数式编程大量使用函数，减小了代码的重复，所以程序比较短，开发速度较快。

 

　　二、接近天然语言，易于理解

　　 函数式编程注重干什么而不是怎么干，更容易理解。

 

　　三、方便代码的管理和维护　　

　　 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，返回的结果一定相同。所以，每个函数均可以被看作独立单元，颇有利于进行单元测试 (unit testing)和除错(debugging)，以及模块化组合。

　　

　　四、易于进行并发开发

　　 函数式编程由于它不修改变量，因此根本不存在"锁"线程的问题，不须要考虑"死锁"(deadlock)。没必要担忧一个线程的数据，被另外一个线程修改，因此能够很放心地把工做分摊到多个线程中。

—　　五、代码热升级

　　函数式编程没有反作用，只要保证接口不变，内部实现是外部无关的。因此，能够在运行状态下直接升级代码，不须要重启，也不须要停机。Erlang语言早就证实了这一点，它是瑞典爱立信公司为了管理电话系统而开发的，电话系统的升级固然是不能停机的。

 

最后，其实使用面向对象或者面向方法都不重要，重要的是如何理解其中的价值观和方法论，构造可维护、可扩展、稳定又灵活的程序。无论白猫黑猫抓到老鼠就是好猫。

 

　 参考：

• http://en.wikipedia.org/wiki/Functional_programming
• http://coolshell.cn/articles/10822.html
• http://www.2cto.com/shouce/pythonjc/index.html
• http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/04/functional_programming.html
• https://github.com/zwaldowski/BlocksKit