函数式编程初探

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2012-04-06 17:05 by 正式编辑 nemohq 评论(11) 有12102人浏览

函数式编程 Erlang Lisp

诞生50多年之后，函数式编程（functional programming）开始获得越来越多的关注。

不仅最古老的函数式语言Lisp重获青春，而且新的函数式语言也层出不穷，比如Erlang、Clojure、Scala,、F#等等。目前最当红的Python、Ruby、Javascript，对函数式编程的支持都很强，就连老牌的面向对象的Java、面向过程的PHP，都忙不迭地加入对匿名函数的支持。越来越多的迹象表明，函数式编程已经不再只是学术界的最爱，也开始大踏步地在业界投入使用。

也许继"面向对象编程"之后，"函数式编程"会成为下一个编程的主流范式。未来的程序员恐怕或多或少都必须懂一点。

但是，"函数式编程"看上去比较难，缺乏通俗的入门教程，各种介绍文章都充斥着数学符号和专用术语，让人读了如坠云雾。就连最基本的问题"什么是函数式编程？"，网上都搜不到易懂的回答。

下面是我（指本文作者阮一峰）的"函数式编程"学习笔记，分享出来，与大家一起探讨。内容不涉及数学（Lambda Calculus我也不懂），也不涉及高级特性（比如lazy evaluation和currying），只求尽量简单通俗地整理和表达，我现在所理解的"函数式编程"以及它的意义。

我主要参考了Slava Akhmechet的"Functional Programming For The Rest of Us"一文。

一、定义

简单说，"函数式编程"是一种"编程范式"，也就是如何编写程序的方法论。

它属于"结构化编程"的一种，主要思想是把运算过程尽量写成一系列嵌套的函数调用。举例来说，现在有这样一个数学表达式：

(1 + 2) * 3 - 4

传统的过程式编程，可能这样写：

var a = 1 + 2；

var b = a * 3；

var c = b - 4；

函数式编程要求使用函数，我们可以把运算过程定义为不同的函数，然后写成下面这样：

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

这就是函数式编程。

二、特点

函数式编程具有五个鲜明的特点。

1、函数是"第一等公民"

所谓"第一等公民"（first class），指的是函数与其他数据类型一样，处于平等地位，可以赋值给其他变量，也可以作为参数，传入另一个函数，或者作为别的函数的返回值。

举例来说，下面代码中的print变量就是一个函数，可以作为另一个函数的参数。


var print = function(i){ console.log(i);}；

[1,2,3].forEach(print)；

2、只用"表达式"，不用"语句"

"表达式"是一个单纯的运算过程，总是有返回值；"语句"是执行某种操作，没有返回值。函数式编程要求，只使用表达式，不使用语句。也就是说，每一步都是单纯的运算，而且都有返回值。

原因是函数式编程的开发动机，一开始就是为了处理运算，不考虑系统的读写（I/O）。"语句"属于对系统的读写操作，所以就被排斥在外。

当然，实际应用中，不做I/O是不可能的。因此，编程过程中，函数式编程只要求把I/O限制到最小，不要有不必要的读写行为，保持计算过程的单纯性。

3、没有"副作用"

所谓"副作用"（side effect），指的是函数内部与外部互动（最典型的情况，就是修改全局变量的值），产生运算以外的其他结果。

函数式编程强调没有"副作用"，意味着函数要保持独立，所有功能就是返回一个新的值，没有其他行为，尤其是不得修改外部变量的值。

4、不修改状态

上一点已经提到，函数式编程只是返回新的值，不修改系统变量。因此，不修改变量，也是它的一个重要特点。

在其他类型的语言中，变量往往用来保存"状态"。不修改变量，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。下面的代码是一个将字符串逆序排列的函数，它演示了不同的参数如何决定了运算所处的"状态"。


function reverse(string) {

　　　　if(string.length == 0)
        {
　　　　　　return string;
　　　　} 
        else 
        {
           return reverse(string.substring(1, string.length)) + string.substring(0, 1);
　　　　}

　　}

由于使用了递归，函数式语言的运行速度比较慢，这是它长期不能在业界推广的主要原因。

5、引用透明

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，任何时候只要参数相同，引用函数所得到的返回值总是相同的。
有了前面的第三点和第四点，这点是很显然的。其他类型的语言，函数的返回值往往与系统状态有关，不同的状态之下，返回值是不一样的。这就叫"引用不透明"，很不利于观察和理解程序的行为。

三、意义

函数式编程到底有什么好处，为什么会变得越来越流行？

1、代码简洁，开发快速

函数式编程大量使用函数，减少了代码的重复，因此程序比较短，开发速度较快。

Paul Graham在《黑客与画家》一书中写道：同样功能的程序，极端情况下，Lisp代码的长度可能是C代码的二十分之一。

如果程序员每天所写的代码行数度基本相同，这就意味着，"C语言需要一年时间完成开发某个功能，Lisp语言只需要不到三星期。反过来说，如果某个新功能，Lisp语言完成开发需要三个月，C语言需要写五年。"当然，这样的对比故意夸大了差异，但是"在一个高度竞争的市场中，即使开发速度只相差两三倍，也足以使得你永远处在落后的位置。"

2、接近自然语言，易于理解

函数式编程的自由度很高，可以写出很接近自然语言的代码。

前文曾经将表达式(1 + 2) * 3 - 4，写成函数式语言：

subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)

对它进行变形，不难得到另一种写法：

add(1,2).multiply(3).subtract(4)

这基本就是自然语言的表达了。再看下面的代码，大家应该一眼就能明白它的意思吧：

merge([1,2],[3,4]).sort().search("2")

3、更方便的代码管理

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，返回的结果必定相同。因此，每一个函数都可以被看做独立单元，很有利于进行单元测试（unit testing）和除错（debugging），以及模块化组合。

4、易于"并发编程"

函数式编程不需要考虑"死锁"（deadlock），因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改，所以可以很放心地把工作分摊到多个线程，部署"并发编程"（concurrency）。

请看下面的代码：


var s1 = Op1()；

var s2 = Op2()；

var s3 = concat(s1, s2)；

由于s1和s2互不干扰，不会修改变量，谁先执行是无所谓的，所以可以放心地增加线程，把它们分配在两个线程上完成。其他类型的语言就做不到这一点，因为s1可能会修改系统状态，而s2可能会用到这些状态，所以必须保证s2在s1之后运行，自然也就不能部署到其他线程上了。

多核CPU是将来的潮流，所以函数式编程的这个特性非常重要。

5、代码的热升级

函数式编程没有副作用，只要保证接口不变，内部实现是外部无关的。所以，可以在运行状态下直接升级代码，不需要重启，也不需要停机。Erlang语言早就证明了这一点，它是瑞典爱立信公司为了管理电话系统而开发的，电话系统的升级当然是不能停机的。

来自: 阮一峰的网络日志

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11 楼 xumingyong 2012-04-09 14:21

dsjt 写道

引用

因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改

如何实现线程间的数据共享呢？

消息传递，内部机制

10 楼 hellolaojiang 2012-04-09 12:59

add(1,2).multiply(3).subtract(4)

这段代码应该这样写才够函数式，才够酷。

(1).add(2).multiply(3).subtract(4)

javascript 可以这样实现，哈哈，你估计已经猜到了，其实就是扩展Number的原型：

Number.prototype.add=function(val) {
	return this+val;
};
Number.prototype.multiply=function(val) {
	return this * val;
};
Number.prototype.subtract=function(val) {
	return this-val;
};

然后，你就可以随心所欲，实现：

(1).add(2).multiply(3).subtract(4)

9 楼 yunhaifeiwu 2012-04-09 08:32

如果程序员每天所写的代码行数度基本相同，这就意味着，"C语言需要一年时间完成开发某个功能，Lisp语言只需要不到三星期。反过来说，如果某个新功能，Lisp语言完成开发需要三个月，C语言需要写五年。"当然，这样的对比故意夸大了差异，但是"在一个高度竞争的市场中，即使开发速度只相差两三倍，也足以使得你永远处在落后的位置。"
===================================
在高度竞争的市场中，面向对象的开发方法，会让软件人员写出高度重用性组件或构件，再加上良好的可读性与可维护性，纯函数语言要争一高下，有点难度。

8 楼 yunhaifeiwu 2012-04-09 08:29

7 楼 yunhaifeiwu 2012-04-09 08:28

函数编程，会提高程序的效率，但是质命缺点，模块化不是长项。
函数编程，代码可读性差，维护要求高。

未来，应是函数编程、面向对象的融合，而不是非此既彼。

6 楼 ray_linn 2012-04-08 21:41

函数式编程变为一等公民？做梦吧，只肯能借鉴某些特点，但咸鱼不可能翻生

5 楼 lich0079 2012-04-08 19:55

非函数式语言之所以共享变量肯定是有理由原因的

函数式编程如何解决呢

4 楼 jilen 2012-04-07 20:45

mathgl 写道

dsjt 写道

引用

因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改

如何实现线程间的数据共享呢？

纯粹的函数式语言不需要共享.

正解！lambda演算和图灵机等价，即使没有共享变量也能完成直觉上能完成的所有计算任务。虽然现实中通常还是会用数据库等媒介变相的共享一些东西，这和语言层面是无关的。像haskell这样的语言，你根本不知道共享变量为何物

3 楼 joe9i0 2012-04-07 13:34

dsjt 写道

引用

因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改

如何实现线程间的数据共享呢？

channel

2 楼 mathgl 2012-04-07 13:27

dsjt 写道

引用

因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改

如何实现线程间的数据共享呢？

纯粹的函数式语言不需要共享.

1 楼 dsjt 2012-04-07 10:20

引用

因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改

如何实现线程间的数据共享呢？

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