Cats（一）：從函數式編程思惟談起

本文由 Yison 發表在 ScalaCool 團隊博客。

若是你看到一個開源類庫，logo 是四隻貓 + 五個箭頭，可能會略感不適 — 這是工程代碼裏可使用的玩意兒嗎？

沒錯，這是 TypeLevel 設計的一個函數式類庫，一羣推崇函數式編程的傢伙注入到 Scala 生態中的重磅炸彈，它是 Cats，源於 Category（範疇）的縮寫。

在 水滴 的系統中，咱們大規模使用了 Cats 來解決一些業務問題，而且從中受益。但顯然這並非 Scala 標準庫所支持的打法，因此本系列旨在系統地介紹這個類庫，讓更多人瞭解它。

咱們最開始使用的是 Scalaz，它是 Cats 的前身，因爲語法問題致使不少吐槽，以後採用 Cats 替代。

固然，不少了解過 Cats 的人知道，關於它已經有如下這些優秀的學習資料：

• herding cats，一樣也是 learning scalaz 的做者。
• Scala with Cats Book，出自 underscore.io

但顯然，若是以前並無函數式編程經驗的同窗，可能會在首次閱讀這些資料的時候犯困。所以，該系列但願在正式介紹 Cats 這個神器以前，先友好地探討一些關於「函數式編程」的基本問題。如：

• 什麼是函數式編程
• 函數式編程有哪些特色
• 函數式編程有哪些優勢

函數式編程？

那麼，什麼纔是函數式編程呢？其實，關於這點並無準確權威的定義，本文也不想就此給出一個答案。

可是，咱們但願來討論下什麼是「函數式編程思惟」，它跟咱們熟知的「命令式編程」到底有哪些不一樣。

常常上知乎的朋友發現了，這是知乎上一個很是好的問題。

什麼是函數式編程思惟？— 知乎

本文推薦如下的回答：

@nameoverflow: 函數式編程關心數據的映射，命令式編程關心解決問題的步驟。

更數學化的版本： @parker liu 函數式編程關心類型（代數結構）之間的關係，命令式編程關心解決問題的步驟。

總結

函數式編程的思惟就是如何將類型（代數結構）之間的關係組合起來，用數學的構造主義構造出你設計的程序。

疑問

咱們來解剖這個結論，直觀上函數式編程是一件很是簡單的事情，咱們只需作一件事情就夠了，那就是「組合」。

但此時，咱們確定又變得一頭霧水，如下問題緊接着就來了：

• 真的有這麼簡單嗎？
• 到底什麼是「組合」呢？
• 在理論上，它真能作到完備性嗎？
• 什麼纔是所謂的「關係」呢？

別急，咱們先來討論一個基本的問題 — 什麼是過程和數據？

過程和數據

看過 SICP 的朋友確定已經發現，這是這本書第一章和第二章所研究的內容。

簡單來講，數據是一種咱們但願去操做的東西，而過程就是有關操做這些數據的規則的描述。它們構成了程序設計的基本元素。

在 Lisp 這種函數式編程語言中，過程和數據同樣，屬於第一級狀態，這也就意味着：

• 能夠用變量命名
• 能夠提供給過程做爲參數
• 能夠做爲過程的結果返回
• 能夠包含在其它的數據結構中

舉個例子，咱們能夠定義一個過程，它接受的參數是一個過程，返回的是另一個過程，這彷佛看起來有點怪。 換個例子，定義一個過程，它接受的參數是一個數，返回的是另一個數，這是否是就熟悉多了？

在函數式編程中，咱們會發現其實「過程」和「數據」的界限有時候是模糊的。也就是說，有時咱們能夠把它們看成一個東西。

回到咱們剛纔的結論：「函數式編程關心類型（代數結構）之間的關係」。

咱們因而能夠這麼理解，函數式編程要解決的第一個問題：就是須要足夠高的抽象能力，能對各類數據和過程進行抽象，提供類型（代數結構）。

這也一樣是後續咱們在學習 Cats 過程當中要得到解答的一個疑問，它是如何幫助咱們實現這一點。

推薦閱讀 @shaw 寫的 如何在 Scala 中利用 ADT 良好地組織業務

圖靈完備與 Lambda 演算

其次，咱們再來討論下，到底什麼是所謂的「關係」?

咱們確定有這樣子的疑惑，若是函數式編程思惟僅靠「組合」就可以描述全部的程序，那麼在理論上它必須具有完備性。

很多朋友知道所謂的 [圖靈完備](Turing completeness)。它聽起來逼格很高，其實這是一個很簡單的概念，意味着用圖靈機能作到的全部事情，能夠解決全部的可計算問題。

另一個可支持解決全部可計算問題的方案就是「Lambda 演算」。在 Lisp 這種函數式編程語言中的基石，就是這個理論。

函數式編程中的 lambda 能夠當作是兩個類型之間的關係，一個輸入類型和一個輸出類型。lambda 演算就是給 lambda 表達式一個輸入類型的值，則能夠獲得一個輸出類型的值，這是一個計算，計算過程知足 \alpha -等價和 \beta -規約。

關於圖靈完備和 Lambda 演算，有機會咱們能夠在後續的文章中繼續討論。

面向組合子編程

咱們再來聊聊核心，所謂的「組合」。

「面向組合子編程」是十年前 javaeye 的牛人 @Ajoo 提出的概念。

首先，咱們能夠引用哲學的基本方法來比喻咱們常見的「面向對象編程」與「面向組合子編程」差別。

前者是概括法，後者是演繹法。

也就說，咱們在用 Java 這些面向對象的語言進行程序設計的時候，一般採用的是總結的方法，然而函數式編程語言提倡的「組合」，更貼近數學的思惟，它是一種推導。

因此，函數式編程所關心的組合，更多作的是先高度抽象類型關係，而後對這些關係的轉化，所謂的 transformer。

因而，咱們得出第二個關鍵的問題：即 Cats 如何提供足夠的 transformer，來幫助咱們實現各類關係之間的組合。

舉例

對於第一次接觸這些概念的朋友來講，仍是有點抽象，下面咱們來舉一個實際的例子來加深認識。

假設咱們如今要設計一個抽獎活動的參與過程，涉及如下邏輯：

• 獲取活動獎品數據
• 判斷活動的開始、進行、結束、獎品是否搶光等狀態

命令式風格

import org.joda.time.DateTime
import scala.concurrent.Future

case class Activity(id: Long, start: DateTime, end: DateTime)
case class Prize(id: Long, name: String, count: Int)

val activity = syncGetActivity()
val prizes = syncGetPrizes(activity.id)

if (activity.start.isBefore(DateTime.now())) {
  println("activity not starts")
} else if (activity.end.isBefore(DateTime.now())) {
  println("activity ends")
} else if (prizes.map(_.count).sum < 1) {
  println("activity has no prizes")
} else {
  println("activity is running")
}
複製代碼

函數式風格

import org.joda.time.DateTime
import scala.concurrent.Future

case class Activity(id: Long, start: DateTime, end: DateTime)
case class Prize(id: Long, name: String, count: Int)

sealed trait ActivityStatus {
  val activity: Activity
  val prizes: Seq[Prize]
}
case class ActivityNotStarts(activity: Activity, prizes: Seq[Prize]) extends ActivityStatus
case class ActivityEnds(activity: Activity, prizes: Seq[Prize]) extends ActivityStatus
case class ActivityPrizeEmpty(activity: Activity, prizes: Seq[Prize]) extends ActivityStatus
case class ActivityRunning(activity: Activity, prizes: Seq[Prize]) extends ActivityStatus

def getActivityStatus(): Future[ActivityStatus] = {
  for {
    activity <- asyncGetActivity()
    prizes <- asyncGetPrizes(activity.id)
  } yield (activity, prizes) match {
    case (a, pzs) if a.start.isBefore(DateTime.now()) => ActivityNotStarts(a, pzs)
    case (a, pzs) if a.end.isBefore(DateTime.now()) => ActivityNotStarts(a, pzs)
    case (a, pzs) if pzs.map(_.count).sum < 1 => ActivityPrizeEmpty(a, pzs)
    case (a, pzs) => ActivityRunning(a, pzs)
  }
}
複製代碼

以上，咱們能夠發現函數式風格，會傾向於基於更高的業務層次進行抽象，直覺上是一個 describe what 的設計，而不是 how to do。

值得一提的是，asyncGetActivity 這個從數據庫異步獲取活動數據過程，它的類型是一個高階類型 Future[Activity]，這也就是咱們以前提到的對過程進行抽象，定義類型。

經過對 asyncGetActivity 和 asyncGetPrizes 兩個異步過程的組合，咱們最終轉化獲得了 ActivityStatus 這個類型的對象結果。

總結

Scala 是一門結合「面向對象」和「函數式」的編程語言，咱們用它能夠寫出大相徑庭的代碼風格。不少人把它看成 better Java 來使用，但若是結合 Cats 這個函數式類庫，咱們就能夠更好地採用函數式編程思惟來設計程序，從而發揮 Scala 更大的威力。

經過該篇文章，咱們對函數式編程有了直覺上的感覺。固然，你可能依舊雲裏霧裏，沒關係，咱們會在後續的文章裏進一步的討論。在下一篇文章中，咱們會介紹下函數式編程所帶來的優點。