寫 Python 代碼不可不知的函數(shù)式編程技術(shù)
近來，越來越多人使用函數(shù)式編程（functional programming）。因此，很多傳統(tǒng)的命令式語言（如 Java 和 Python）開始支持函數(shù)式編程技術(shù)。本文對 Python 中的函數(shù)式編程技術(shù)進行了簡單的入門介紹。
本文適合對函數(shù)式編程有基本了解的讀者。如果你對函數(shù)式編程并不熟悉，可以先閱讀這篇文章：https://medium.com/@yannickdot/functional-programming-101-6bc132674ec5。
本文作者是新加坡國立大學(xué)計算機學(xué)院和「USP」博學(xué)計劃學(xué)生 Raivat Shah，專注于編程與數(shù)據(jù)研究。
頭等函數(shù)
在 Python 中，函數(shù)是「頭等公民」（first-class）。也就是說，函數(shù)與其他數(shù)據(jù)類型（如 int）處于平等地位。
因而，我們可以將函數(shù)賦值給變量，也可以將其作為參數(shù)傳入其他函數(shù)，將它們存儲在其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如 dicts）中，并將它們作為其他函數(shù)的返回值。
把函數(shù)作為對象
由于其他數(shù)據(jù)類型（如 string、list 和 int）都是對象，那么函數(shù)也是 Python 中的對象。我們來看示例函數(shù) foo，它將自己的名稱打印出來：
- def foo():
- print("foo")
由于函數(shù)是對象，因此我們可以將函數(shù) foo 賦值給任意變量，然后調(diào)用該變量。例如，我們可以將函數(shù)賦值給變量 bar：
- bar = foo
- bar()
- #will print "foo" to the console
語句 bar = foo 將函數(shù) foo 引用的對象賦值給變量 bar。
把對象作為函數(shù)
當對象可調(diào)用時（callable），它們與函數(shù)一樣，如 object()。這是通過 __call__ 方法實現(xiàn)的。
示例如下：
- class Greeter:
- def __init__(self, greeting):
- self.greeting = greeting
- def __call__(self, name):
- return self.greeting + " " + name
每一次配置 Greeter 類的對象時，我們都會創(chuàng)建一個新的對象，即打招呼時可以喊的新名字。如下所示：
- morning = Greeter("good morning") #creates the callable object
- morning("john") # calling the object
- #prints "good morning john" to the console
我們可以調(diào)用 morning 對象的原因在于，我們已經(jīng)在類定義中使用了 __call__ 方法。為了檢查對象是否可調(diào)用，我們使用內(nèi)置函數(shù) callable：
- callable(morning) #true
- callable(145) #false. int is not callable.
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的函數(shù)
函數(shù)和其他對象一樣，可以存儲在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部。例如，我們可以創(chuàng)建 int to func 的字典。當 int 是待執(zhí)行步驟的簡寫時，這就會派上用場。
- # store in dictionary
- mapping = {
- 0 : foo,
- 1 : bar
- }
- x = input() #get integer value from user
- mapping[x]() #call the func returned by dictionary access
類似地，函數(shù)也可以存儲在多種其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。
把函數(shù)作為參數(shù)和返回值
函數(shù)還可以作為其他函數(shù)的參數(shù)和返回值。接受函數(shù)作為輸入或返回函數(shù)的函數(shù)叫做高階函數(shù)，它是函數(shù)式編程的重要組成部分。
高階函數(shù)具備強大的能力。就像《Eloquent JavaScript》中解釋的那樣：
「高階函數(shù)允許我們對動作執(zhí)行抽象，而不只是抽象數(shù)值?！?/p>
我們來看一個例子。假設(shè)我們想對一個項目列表（list of items）執(zhí)行迭代，并將其順序打印出來。我們可以輕松構(gòu)建一個 iterate 函數(shù)：
- def iterate(list_of_items):
- for item in list_of_items:
- print(item)
看起來很酷吧，但這只不過是一級抽象而已。如果我們想在對列表執(zhí)行迭代時進行打印以外的其他操作要怎么做呢？
這就是高階函數(shù)存在的意義。我們可以創(chuàng)建函數(shù) iterate_custom，待執(zhí)行迭代的列表和要對每個項應(yīng)用的函數(shù)都是 iterate_custom 函數(shù)的輸入：
- def iterate_custom(list_of_items, custom_func):
- for item in list_of_items:
- custom_func(item)
這看起來微不足道，但其實非常強大。
我們已經(jīng)把抽象的級別提高了一層，使代碼具備更強的可重用性。現(xiàn)在，我們不僅可以在打印列表時調(diào)用該函數(shù)，還可以對涉及序列迭代的列表執(zhí)行任意操作。
函數(shù)還能被返回，從而使事情變得更加簡單。就像我們在 dict 中存儲函數(shù)一樣，我們還可以將函數(shù)作為控制語句，來決定適合的函數(shù)。例如：
- def add(x, y):
- return x + y
- def sub(x, y):
- return x - y
- def mult(x, y):
- return x * y
- def calculator(opcode):
- if opcode == 1:
- return add
- elif opcode == 2:
- return sub
- else:
- return mult
- my_calc = calculator(2) #my calc is a subtractor
- my_calc(5, 4) #returns 5 - 4 = 1
- my_calc = calculator(9) #my calc is now a multiplier
- my_calc(5, 4) #returns 5 x 4 = 20.
嵌套函數(shù)
函數(shù)還可以在其他函數(shù)內(nèi)部，這就是「內(nèi)部函數(shù)」。內(nèi)部函數(shù)在創(chuàng)建輔助函數(shù)時非常有用，輔助函數(shù)即作為子模塊來支持主函數(shù)的小型可重用函數(shù)。
在問題需要特定函數(shù)定義（參數(shù)類型或順序）時，我們可以使用輔助函數(shù)。這種不遵循傳統(tǒng)做法的操作使得解決問題變得更加簡單，示例參見：http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~cs61a/sp12/lectures/lect4-2x3.pdf。
定義此類函數(shù)的一種可行方式是：使用輔助函數(shù)來追蹤斐波那契數(shù)列的前兩個項（因為斐波那契數(shù)是前兩個數(shù)之和）。
- def fib(n):
- def fib_helper(fk1, fk, k):
- if n == k:
- return fk
- else:
- return fib_helper(fk, fk1+fk, k+1)
- if n <= 1:
- return n
- else:
- return fib_helper(0, 1, 1)
將該計算從函數(shù)主體移到函數(shù)參數(shù)，這具備非常強大的力量。因為它減少了遞歸方法中可能出現(xiàn)的冗余計算。
單表達式函數(shù)（Lambda 表達式）
如果我們想在未給函數(shù)命名之前寫一個函數(shù)要怎么做？如果我們想寫一個簡短的單行函數(shù)（如上述示例中的函數(shù) foo 或 mult）要怎么做？
我們可以在 Python 中使用 lambda 關(guān)鍵字來定義此類函數(shù)。示例如下：
- mult = lambda x, y: x * y
- mult(1, 2) #returns 2
該 mult 函數(shù)的行為與使用傳統(tǒng) def 關(guān)鍵字定義函數(shù)的行為相同。
注意：lambda 函數(shù)必須為單行，且不能包含程序員寫的返回語句。
事實上，它們通常具備隱式的返回語句（在上面的示例中，函數(shù)想表達 return x * y，不過我們省略了 lambda 函數(shù)中的顯式返回語句）。
lambda 函數(shù)更加強大和精準，因為我們還可以構(gòu)建匿名函數(shù)（即沒有名稱的函數(shù)）：
- (lambda x, y: x * y)(9, 10) #returns 90
當我們只需要一次性使用某函數(shù)時，這種方法非常方便。例如，當我們想填充字典時：
- import collections
- pre_fill = collections.defaultdict(lambda: (0, 0))
- #all dictionary keys and values are set to 0
接下來我們來看 Map、Filter 和 Reduce，以更多地了解 lambda。
Map、Filter 和 Reduce
Map
map 函數(shù)基于指定過程（函數(shù)）將輸入集轉(zhuǎn)換為另一個集合。這類似于上文提到的 iterate_custom 函數(shù)。例如：
- def multiply_by_four(x):
- return x * 4
- scores = [3, 6, 8, 3, 5, 7]
- modified_scores = list(map(multiply_by_four, scores))
- #modified scores is now [12, 24, 32, 12, 20, 28]
在 Python 3 中，map 函數(shù)返回的 map 對象可被類型轉(zhuǎn)換為 list，以方便使用。現(xiàn)在，我們無需顯式地定義 multiply_by_four 函數(shù)，而是定義 lambda 表達式：
- modified_scores = list(map(lambda x: 4 * x, scores))
當我們想對集合內(nèi)的所有值執(zhí)行某項操作時，map 函數(shù)很有用。
Filter
就像名稱所顯示的那樣，filter 函數(shù)可以幫助篩除不想要的項。例如，我們想要去除 scores 中的奇數(shù)，那么我們可以使用 filter：
- even_scores = list(filter(lambda x: True if (x % 2 == 0) else False, scores))
- #even_scores = [6, 8]
由于提供給 filter 的函數(shù)是逐個決定是否接受每一個項的，因此該函數(shù)必須返回 bool 值，且該函數(shù)必須是一元函數(shù)（即只使用一個輸入?yún)?shù)）。
Reduce
reduce 函數(shù)用于「總結(jié)」或「概述」數(shù)據(jù)集。例如，如果我們想要計算所有分數(shù)的總和，就可以使用 reduce：
- sum_scores = reduce((lambda x, y: x + y), scores)
- #sum_scores = 32
這要比寫循環(huán)語句簡單多了。注意：提供給 reduce 的函數(shù)需要兩個參數(shù)：一個表示正在接受檢查的項，另一個表示所用運算的累積結(jié)果。
本文是關(guān)于函數(shù)式編程的一篇入門文章，雖然盡量完備地介紹了相關(guān)的知識，但并不是那么深入。如想了解更多，大家可以閱讀以下資源：
-
Best Practices for Using Functional Programming in Python：https://kite.com/blog/python/functional-programming/
-
Functional Programming Tutorials and Notes：https://www.hackerearth.com/zh/practice/python/functional-programming/functional-programming-1/tutorial/
