函數式編程思想

函數式編程思想

一、函數式編程簡介

背景

　　函數式編程誕生於50多年前。如今愈來愈多的人開始接受並進行函數式編程的實踐。不只最古老的函數式語言 Lisp 重獲青春，並且新的函數式語言層出不窮，好比 Erlang、clojure、Scala、F#等等。目前最當紅的Objective-C, Python、Ruby、 Javascript都引入了對函數式編程的支持。就連老牌的面向對象的 Java、面向過程的 PHP, 以及蘋果最新的swift語言，都忙不迭地加入匿名函數等機制。

　　愈來愈多的跡象代表，函數式編程已經再也不是學術界的最愛，開始大踏步地在業界投入實用。 也許繼面向對象編程以後，函數式編程會成爲下一個編程的主流範式。

　　它屬於「結構化編程」的一種，主要思想是把運算過程儘可能寫成一系列嵌套的函數調用。說到函數式編程編程就不得不說面向對象。面向對象是把一個功能的一組操做和相關數據封裝在一個對象裏，面向對象是對象滿天飛。函數式編程是把一個功能的一個操做和相關數據封裝在一塊兒，函數式編程是函數滿天飛。函數式編程比面向對象的優點就是粒度更小，生命週期更短。減小bug的有效途徑就是減小變量的生命週期，縮小模塊的粒度；因此函數式編程更不容易引入bug。

定義

　　是一種編程範型，它將計算機運算視爲數學上的函數計算，而且避免使用程序狀態以及易變對象。函數編程語言最重要的基礎是λ演算（lambda calculus）。λ演算中最關鍵的要素就是函數被看成變量處理，可以參與運算。

價值觀

• 函數式編程強調程序的執行結果比執行過程更重要。關注於描述問題，而不是怎麼實現，隱藏實現細節。

• 化繁爲簡。利用若干簡單的執行單元讓計算結果不斷漸進，逐層推導複雜的運算。

• —你的優秀和個人人生無關，請帶着你的趾高氣揚滾蛋吧。

　　下面是一個輸出數組的例子　　

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

　　這樣的代碼更易讀，代碼只是描述在幹什麼，而不是如何作到這點的具體實現。若是是過程式編程，須要一個for循環去描述實現細節。

　　函數式編程在解決複雜運算問題時，把一個問題分解爲若干子問題，逐步求解。軟件或程序的拼裝會變得更爲簡單和直觀。使代碼更容易理解，方便排查問題，而且具備更好的可維護性和擴展性。

　　如今有這樣一個數學表達式:

　　(1 + 2) * 3 - 4

　　傳統的過程式編程:

　　var a = 1 + 2;

　　var b = a * 3;

　　var c = b - 4;

　　函數式編程要求使用函數,咱們能夠把運算過程定義爲不一樣的函數,而後寫成下面這樣:

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

　　這個就是函數式編程的準則：函數不受外部變量影響，不依賴於外部變量，也不改變外部變量的值。

　　傳統的過程式編程:

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

　　函數式編程：

def increment(count):
  return count+1;

　　函數不訪問全局變量，也不改變全局變量。

二、函數式編程特性

　   封裝、繼承、多態是面向對象編程的三大特性。函數式編程也有本身的語言特性。

• 數據不可變性（immutable data）多有的變量只能夠賦值一次，變量不可變，若是想改變變量就建立一個新的變量。

　數據的不可變性保證了程序是無狀態的，不少難解的bug每每是由各類複雜的狀態引發的。好比發現某些狀況下程序運行有問題，是某一個狀態引發的，可是這個狀態有100種可能性，在1000個地方都有對這個狀態進行操做。debug的時候要殺人的心都有了。數據不可變性同時保證了函數沒有「反作用」，函數的反作用是指除了返回函數值外，還對主調用函數

• 函數是第一公民（first class method）函數能夠像普通變量同樣去使用。函數能夠像變量同樣被建立，修改，並當成變量同樣傳遞，返回或是在函數中嵌套函數。

• 引用透明(referential transparency) 指的是函數的運行不依賴於外部變量或「狀態」，只依賴於輸入的參數，任什麼時候候只要參數相同，調用函數所獲得的返回值老是相同的。自然適應併發編程，由於調用函數的結果具備一致性，因此根本不須要加鎖，也就不存在死鎖的問題。

• 尾遞歸化（tail call optimization）由於函數調用要壓棧保存現場，遞歸層次過深的話，壓棧過多會產生性能問題。因此引入尾遞歸優化，每次遞歸時都會重用棧，提高性能。

 把函數做爲參數傳遞的例子

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

　　sortedArrayUsingComparator方法負責排序，須要把比較的規則告訴他，將比較方法做爲一個參數傳到函數中進行運算。

• 只用「表達式」，不用「語句」： 表達式是一個單純的運算過程，老是有返回值；而語句是執行某種操做，沒有返回值。函數式編程要求，只使用表達式，不使用語句。也就是說，每一步都是單純的運算，並且都有返回值。緣由是函數是編程的開發動機，一是爲了處理運算，不考慮系統的讀寫(I/O)。 
• 沒有「反作用」：所謂"反作用"（side effect），指的是函數內部與外部互動（最典型的狀況，就是修改全局變量的值），產生運算之外的其餘結果。函數式編程強調沒有"反作用"，意味着函數要保持獨立，全部功能就是返回一個新的值，沒有其餘行爲，尤爲是不得修改外部變量的值。

—三、函數式編程技術（方法論）

• —映射化簡（map & reduce）函數式編程最多見的技術就是對一個集合作Map和Reduce操做。這比起過程式的語言來講，在代碼上要更容易閱讀。傳統過程式的語言須要使用for/while循環，而後在各類變量中把數據倒過來倒過去的

• 管道    （pipeline）把一組函數放到一個數組或是列表中，而後把數據傳給這個列表，數據就像一個pipeline同樣順序地被各個函數所操做，最終獲得咱們想要的結果。他的設哲學就是讓每一個功能就作一件事，並把這件事作到極致，軟件或程序的拼裝會變得更爲簡單和直觀。

• —遞歸    （recursing）遞歸最大的好處就簡化代碼，他能夠把一個複雜的問題用很簡單的代碼描述出來。遞歸的精髓是描述問題，而這正是函數式編程的精髓。

• —柯里化  （currying）把一個函數的多個參數分解成多個函數， 而後把函數多層封裝起來，每層函數都返回一個函數去接收下一個參數。

• —高階函數（higher order function）函數當參數，把傳入的函數作一個封裝，而後返回這個封裝函數。現象上就是函數傳進傳出。

3.1.map & reduce

　　Python代碼：

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

　　將數組裏的全部字符串變爲大寫，直接使用map，不須要寫for循環。最後輸出 ["HELLO","WORLD"] 

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

　　將數組裏全部數值進行累加，至關於1+2+3+4+5，輸出 15。

　　lambda是Python的匿名函數，lambda x,y:x+y至關於def func(x,y):return x+y

3.2. 管道

　　若是有一個需求找出一組數中的全部偶數並對他們求平方，最後求他們的和，能夠分解成三個步驟：

　　1）找偶數
　　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方法求偶數，square求他們的平方，total方法將他們加在一塊兒。經過管道的方式把他們串聯在一塊兒，一個複雜的處理就完成了。

　　讓每一個方法只作一件事，並把這件事作到極致。

3.3. 遞歸

　　在其餘類型的語言中，變量每每用來保存狀態。變量不可變，意味着狀態不能保存在變量中。函數式編程使用參數保存狀態，最好的例子就是遞歸。

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

　　每次狀態的變化就是值+1。

3.4.柯里化和高階函數

　　柯里化就是一個函數只有一個參數，那若是須要兩個參數怎麼辦，好比兩個數相加求和。經過把一個參數封裝成函數的方式實現。　　

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

funcA = func(5)
print funcA(10)

　　func函數返回一個add函數，funcA變量就是一個a爲5的add函數。print funcA(10)就是向add函數傳入10，最後結果就是5+10 輸出15。

四、函數式編程意義

　一、代碼簡潔，快速開發

　　 函數式編程大量使用函數，減小了代碼的重複，所以程序比較短，開發速度較快。

   二、接近天然語言，易於理解

　　 函數式編程注重幹什麼而不是怎麼幹，更容易理解。例子-----表達式(1 + 2) * 3 - 4，能夠寫成函數式語言：subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)

　三、方便代碼的管理和維護　　

　　 函數式編程不依賴、也不會改變外界的狀態，只要給定輸入參數，返回的結果一定相同。所以，每個函數均可以被看作獨立單元，頗有利於進行單元測試 (unit testing)和除錯(debugging)，以及模塊化組合。

　四、易於進行併發開發

　　函數式編程由於它不修改變量，因此根本不存在"鎖"線程的問題，不須要考慮"死鎖"(deadlock)。沒必要擔憂一個線程的數據，被另外一個線程修改，因此能夠很放心地把工做分攤到多個線程中。

示例2：

var s1 = Op1();
 
var s2 = Op2();
 
var s3 = concat(s1, s2);

 

因爲s1和s2互不干擾，不會修改變量，誰先執行是無所謂的，因此能夠放心地增長線程，把它們分配在兩個線程上完成。其餘類型的語言就作不到這一點，由於s1可能會修改系統狀態，而s2可能會用到這些狀態，因此必須保證s2在s1以後運行，天然也就不能部署到其餘線程上了。多核CPU是未來的潮流，因此函數式編程的這個特性很是重要。

　五、代碼熱升級

　　函數式編程沒有反作用，只要保證接口不變，內部實現是外部無關的。因此，能夠在運行狀態下直接升級代碼，不須要重啓，也不須要停機。Erlang語言早就證實了這一點，它是瑞典愛立信公司爲了管理電話系統而開發的，電話系統的升級固然是不能停機的。

最後，其實使用面向對象或者面向方法都不重要，重要的是如何理解其中的價值觀和方法論，構造可維護、可擴展、穩定又靈活的程序。