輕松玩轉(zhuǎn)函數(shù)式編程
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最近和一些同學(xué)討論了函數(shù)式編程，很多同學(xué)總覺(jué)得聽(tīng)起來(lái)很高大上，但用起來(lái)卻無(wú)從下手。于是我抽時(shí)間捋了捋，將平時(shí)工作中用到的函數(shù)式編程案例和思想整理了出來(lái)，相信閱讀本文后，大家都能快速上手函數(shù)式編程。
函數(shù)式編程目前使用范圍非常廣，常用的框架，語(yǔ)言幾乎都能看到它的身影。
- 前端框架：react、vue 的 hooks 用法。
- 打包工具：webpack 的 webpack-chain 用法。
- 工具庫(kù)：underscore、lodash、ramda。
- 部署方式：serverless。
- 后端：java、c# 中的 lamda 表達(dá)式。
本文將通過(guò)以下 3 個(gè)部分來(lái)深入函數(shù)式編程。
- 編程范式
- 函數(shù)式編程
- 函數(shù)式編程常見(jiàn)案例
編程范式
編程范式 指的是一種編程風(fēng)格，它描述了程序員對(duì)程序執(zhí)行的看法。在編程的世界中，同一個(gè)問(wèn)題，可以站在多個(gè)角度去分析解決，這些不同的解決方案就對(duì)應(yīng)了不同的編程風(fēng)格。
常見(jiàn)的編程范式有：
- 命令式編程
- 面向過(guò)程編程
- C
- 面向過(guò)程編程
- 面向?qū)ο缶幊?
- C++、C#、Java
- 聲明式編程
- 函數(shù)式編程
- Haskell
- 函數(shù)式編程
命令式編程
命令式編程 是使用最廣的一種編程風(fēng)格，它是站在計(jì)算機(jī)的角度去思考問(wèn)題，主要思想是 關(guān)注計(jì)算機(jī)執(zhí)行的步驟，即一步一步告訴計(jì)算機(jī)先做什么再做什么。
由于存在很多需要控制的步驟，所以命令式編程普遍存在以下特點(diǎn)：
- 控制語(yǔ)句
- 循環(huán)語(yǔ)句：while、for
- 條件分支語(yǔ)句：if else、switch
- 無(wú)條件分支語(yǔ)句：return、break、continue
- 變量
- 賦值語(yǔ)句
根據(jù)這些特點(diǎn)，我們來(lái)分析一個(gè)命令式編程案例：
- // 需求：篩選出數(shù)組中為奇數(shù)的子集合
- const array = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9];
- // 步驟1：定義執(zhí)行結(jié)果變量
- let reult = [];
- // 步驟2：控制程序循環(huán)調(diào)用
- for (let i = 0; i < array.length; i++) {
- // 步驟3：判斷篩選條件
- if (array[i] % 2 !== 0) {
- // 步驟4：加入執(zhí)行結(jié)果
- reult.push(array[i]);
- }
- }
- // 步驟5：得到最終的結(jié)果 result
以上代碼通過(guò) 5 個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了數(shù)組的篩選，這并沒(méi)有什么問(wèn)題，但細(xì)心的同學(xué)可能會(huì)感到疑惑：這樣寫(xiě)的代碼量太長(zhǎng)了，而且并不語(yǔ)義化，只有閱讀完每一行的代碼，才知道具體執(zhí)行的是什么邏輯。
沒(méi)錯(cuò)，這就是命令式編程的典型特點(diǎn)，除此之外，還有以下幾點(diǎn)：
- 命令式編程的每一個(gè)步驟都可以由程序員定義，這樣可以更精細(xì)化、更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乜刂拼a，從而提高程序的性能。
- 命令式編程的每一個(gè)步驟都可以記錄中間結(jié)果，方便調(diào)試代碼。
- 命令式編程需要大量的流程控制語(yǔ)句，在處理多線(xiàn)程狀態(tài)同步問(wèn)題時(shí)，容易造成邏輯混亂，通常需要加鎖來(lái)解決。
聲明式編程
聲明式編程 同樣是一種編程風(fēng)格，它通過(guò)定義具體的規(guī)則，以便系統(tǒng)底層可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)具體功能。主要思想是 告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)該做什么，但不指定具體要怎么做。
由于需要定義規(guī)則來(lái)表達(dá)含義，所以聲明式編程普遍存在以下特點(diǎn)：
- 代碼更加語(yǔ)義化，便于理解。
- 代碼量更少。
- 不需要流程控制代碼，如：for、while、if 等。
接下來(lái)，我們將上文中的數(shù)組篩選，用聲明式的方式重構(gòu)一下：
- // 篩選出數(shù)組中為奇數(shù)的子集合
- const array = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9];
- const reult = array.filter((item) => item % 2 !== 0);
可以看到，聲明式編程沒(méi)有冗余的操作步驟，代碼量非常少，并且非常語(yǔ)義化，當(dāng)我們讀到 filter 的時(shí)候，自然而然就知道是在做篩選。
我們?cè)倏匆粋€(gè)案例：
# 使用 sql 語(yǔ)句，查詢(xún) id 為 25 的學(xué)生
- # 使用 sql 語(yǔ)句，查詢(xún) id 為 25 的學(xué)生
- select * from students where id=25
在上述代碼中，我們只是告訴計(jì)算機(jī)，我想查找 id 為 25 的同學(xué)，計(jì)算機(jī)就能給我們返回對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)了，至于是怎么查找出來(lái)的，我們并不需要關(guān)心，只要結(jié)果是正確的即可。
除了上述例子之外，還有很多聲明式編程的案例：
- html 用來(lái)聲明了網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容。
- css 用來(lái)聲明網(wǎng)頁(yè)中元素的外觀。
- 正則表達(dá)式，聲明匹配的規(guī)則。
有了以上幾個(gè)案例，我們來(lái)總結(jié)一下聲明式編程的優(yōu)缺點(diǎn)：
聲明式編程不需要編寫(xiě)復(fù)雜的操作步驟，可以大大減少開(kāi)發(fā)者的工作量。
聲明式編程的具體操作都是底層統(tǒng)一管理，可以降低重復(fù)工作。
聲明式編程底層實(shí)現(xiàn)的邏輯并不可控，不適合做更精細(xì)化的優(yōu)化。
函數(shù)式編程
函數(shù)式編程 屬于聲明式編程中的一種，它的主要思想是 將計(jì)算機(jī)運(yùn)算看作為函數(shù)的計(jì)算，也就是把程序問(wèn)題抽象成數(shù)學(xué)問(wèn)題去解決。
函數(shù)式編程中，我們可以充分利用數(shù)學(xué)公式來(lái)解決問(wèn)題。也就是說(shuō)，任何問(wèn)題都可以通過(guò)函數(shù)(加減乘除)和數(shù)學(xué)定律(交換律、結(jié)合律等)，一步一步計(jì)算，最終得到答案。
函數(shù)式編程中，所有的變量都是唯一的值，就像是數(shù)學(xué)中的代數(shù) x、y，它們要么還未解出來(lái)，要么已經(jīng)被解出為固定值，所以對(duì)于：x=x+1 這樣的自增是不合法的，因?yàn)樾薷牧舜鷶?shù)值，不符合數(shù)學(xué)邏輯。
除此之外，嚴(yán)格意義上的函數(shù)式編程也不包括循環(huán)、條件判斷等控制語(yǔ)句，如果需要條件判斷，可以使用三元運(yùn)算符代替。
文章開(kāi)頭我們提到了 webpack-chain，我們一起來(lái)看一下：
- // 使用 webpack-chain 來(lái)編寫(xiě) webpack 配置。
- const Config = require('webpack-chain');
- const config = new Config();
- config.
- .entry('index')
- .add('src/index.js')
- .end()
- .output
- .path('dist')
- filename('my-first-webpack.bundle.js');
- config.module
- .rule('compile')
- .test(/\.js$/)
- .use('babel')
- .loader('babel-loader')
- module.exports = config;
可以看到，webpack-chain 可以通過(guò)鏈?zhǔn)降暮瘮?shù) api 來(lái)創(chuàng)建和修改 webpack 配置，從而更方便地創(chuàng)建和修改 webpack 配置。試想一下，如果一份 webpack 配置需要用于多個(gè)項(xiàng)目，但每個(gè)項(xiàng)目又有一些細(xì)微的不同配置，這個(gè)應(yīng)該怎么處理呢?
如果使用 webpack-chain 去修改配置，一個(gè)函數(shù) api 就搞定了，而使用命令式的編程，則需要去逐步遍歷整個(gè) webpack 配置文件，找出需要修改的點(diǎn)，才能進(jìn)行修改，這無(wú)疑就大大減少了我們的工作量。
函數(shù)式編程的特點(diǎn)
根據(jù)維基百科權(quán)威定義，函數(shù)式編程有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
- 函數(shù)是一等公民
- 函數(shù)可以和變量一樣，可以賦值給其他變量，也可以作為參數(shù)，傳入一個(gè)函數(shù)，或者作為別的函數(shù)返回值。
- 只用表達(dá)式，不用語(yǔ)句：
- 表達(dá)式是一段單純的運(yùn)算過(guò)程，總是有返回值。
- 語(yǔ)句是執(zhí)行某種操作，沒(méi)有返回值。
- 也就是說(shuō)，函數(shù)式編程中的每一步都是單純的運(yùn)算，而且都有返回值。
- 無(wú)副作用
- 不會(huì)產(chǎn)生除運(yùn)算以外的其他結(jié)果。
- 同一個(gè)輸入永遠(yuǎn)得到同一個(gè)數(shù)據(jù)。
- 不可變性
- 不修改變量，返回一個(gè)新的值。
- 引用透明
- 函數(shù)的運(yùn)行不依賴(lài)于外部變量，只依賴(lài)于輸入的參數(shù)。
以上的特點(diǎn)都是函數(shù)式編程的核心，基于這些特點(diǎn)，又衍生出了許多應(yīng)用場(chǎng)景：
- 純函數(shù)：同樣的輸入得到同樣的輸出，無(wú)副作用。
- 函數(shù)組合：將多個(gè)依次調(diào)用的函數(shù)，組合成一個(gè)大函數(shù)，簡(jiǎn)化操作步驟。
- 高階函數(shù)：可以加工函數(shù)的函數(shù)，接收一個(gè)或多個(gè)函數(shù)作為輸入、輸出一個(gè)函數(shù)。
- 閉包：函數(shù)作用域嵌套，實(shí)現(xiàn)的不同作用域變量共享。
- 柯里化：將一個(gè)多參數(shù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為多個(gè)嵌套的單參數(shù)函數(shù)。
- 偏函數(shù)：緩存一部分參數(shù)，然后讓另一些參數(shù)在使用時(shí)傳入。
- 惰性求值：預(yù)先定義多個(gè)操作，但不立即求值，在需要使用值時(shí)才去求值，可以避免不必要的求值，提升性能。
- 遞歸：控制函數(shù)循環(huán)調(diào)用的一種方式。
- 尾遞歸：避免多層級(jí)函數(shù)嵌套導(dǎo)致的內(nèi)存溢出的優(yōu)化。
- 鏈?zhǔn)秸{(diào)用：讓代碼更加優(yōu)雅。
這些應(yīng)用場(chǎng)景都大量存在于我們的日常工作中，接下來(lái)我們通過(guò)幾個(gè)案例來(lái)實(shí)戰(zhàn)一下。
函數(shù)式編程常見(jiàn)案例
基于函數(shù)式編程的應(yīng)用場(chǎng)景，我們來(lái)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)具體的案例。
- 函數(shù)組合
- 柯里化
- 偏函數(shù)
- 高階函數(shù)
- 尾遞歸
- 鏈?zhǔn)秸{(diào)用
1、函數(shù)組合，組合多個(gè)函數(shù)步驟。
- function compose(f, g) {
- return function () {
- return f.call(this, g.apply(this, arguments));
- };
- }
- function toLocaleUpperCase(str) {
- return str.toLocaleUpperCase();
- }
- function toSigh(str) {
- return str + "!";
- }
- // 將多個(gè)函數(shù)按照先后執(zhí)行順序組合成一個(gè)函數(shù)，簡(jiǎn)化多個(gè)調(diào)用步驟。
- const composedFn = compose(toSigh, toLocaleUpperCase);
- console.log("函數(shù)組合：", composedFn("msx"));
- // 函數(shù)組合：MSX!
2、柯里化，將一個(gè)多參數(shù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為多個(gè)嵌套的單參數(shù)函數(shù)。
- // 柯里化
- function curry(targetfn) {
- var numOfArgs = targetfn.length;
- return function fn(...rest) {
- if (rest.length < numOfArgs) {
- return fn.bind(null, ...rest);
- } else {
- return targetfn.apply(null, rest);
- }
- };
- }
- // 加法函數(shù)
- function add(a, b, c, d) {
- return a + b + c + d;
- }
- // 將一個(gè)多參數(shù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為多個(gè)嵌套的單參數(shù)函數(shù)
- console.log("柯里化：", curry(add)(1)(2)(3)(4));
- // 柯里化：10
3、偏函數(shù)，緩存一部分參數(shù)，然后讓另一些參數(shù)在使用時(shí)傳入。
- // 偏函數(shù)
- function isTypeX(type) {
- return function (obj) {
- return Object.prototype.toString.call(obj) === `[object ${type}]`;
- };
- }
- // 緩存一部分參數(shù)，然后讓另一些參數(shù)在使用時(shí)傳入。
- const isObject = isTypeX("Object");
- const isNumber = isTypeX("Number");
- console.log("偏函數(shù)測(cè)試：", isObject({ a: 1 }, 123)); // true
- console.log("偏函數(shù)測(cè)試：", isNumber(1)); // true
4、惰性求值，預(yù)先定義多個(gè)操作，但不立即求值，在需要使用值時(shí)才去求值，可以避免不必要的求值，提升性能。
- // 這里使用 C# 中的 LINQ 來(lái)演示
- // 假設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)中有這樣一段數(shù)據(jù) db.Gems [4,15,20,7,3,13,2,20];
- var q =
- db.Gems
- .Select(c => c < 10)
- .Take(3)
- // 只要不調(diào)用 ToList 就不會(huì)求值
- // 在具體求值的時(shí)候，會(huì)將預(yù)先定義的方法進(jìn)行優(yōu)化整合，以產(chǎn)生一個(gè)最優(yōu)的解決方案，才會(huì)去求值。
- .ToList();
上述代碼中，傳統(tǒng)的求值會(huì)遍歷 2 次，第一次遍歷整個(gè)數(shù)組(8 項(xiàng))，篩選出小于 10 的項(xiàng)，輸出 [4,7,3,2]，第二次遍歷這個(gè)數(shù)組(4 項(xiàng))，輸出 [4,7,3]。
如果使用惰性求值，則會(huì)將預(yù)先定義的所有操作放在一起進(jìn)行判斷，所以只需要遍歷 1 次就可以了。在遍歷的同時(shí)判斷 是否小于 10 和 小于 10 的個(gè)數(shù)是否為 3，當(dāng)遍歷到第 5 項(xiàng)時(shí)，就能輸出 [4,7,3]。
相比傳統(tǒng)求值遍歷的 8+4=12 項(xiàng)，使用惰性求值則只需遍歷 5 項(xiàng)，程序的運(yùn)行效率也就自然而然地得到了提升。
5、高階函數(shù)，可以加工函數(shù)的函數(shù)(接收一個(gè)或多個(gè)函數(shù)作為輸入、輸出一個(gè)函數(shù))。
- // React 組件中，將一個(gè)組件，封裝為帶默認(rèn)背景色的新組件。
- // styled-components 就是這個(gè)原理
- function withBackgroundRedColor (wrapedComponent) {
- return class extends Component {
- render () {
- return (<div style={backgroundColor: 'red} >
- <wrapedComponent {...this.props} />
- </div>)
- }
- }
- }
6、遞歸和尾遞歸。
- // 普通遞歸，控制函數(shù)循環(huán)調(diào)用的一種方式。
- function fibonacci(n) {
- if (n === 0) {
- return 0;
- }
- if (n === 1) {
- return 1;
- }
- return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
- }
- console.log("沒(méi)有使用尾遞歸，導(dǎo)致棧溢出", fibonacci(100));
- // 尾遞歸，避免多層級(jí)函數(shù)嵌套導(dǎo)致的內(nèi)存溢出的優(yōu)化。
- function fibonacci2(n, result, preValue) {
- if (n == 0) {
- return result;
- }
- return fibonacci2(n - 1, preValue, result + preValue);
- }
- // result = 0, preValue = 1
- console.log("使用了尾遞歸，不會(huì)棧溢出", fibonacci2(100, 0, 1));
7、鏈?zhǔn)秸{(diào)用
- // lodash 中，一個(gè)方法調(diào)用完成之后，可以繼續(xù)鏈?zhǔn)秸{(diào)用其他的方法。
- var users = [
- { user: "barney", age: 36 },
- { user: "fred", age: 40 },
- { user: "pebbles", age: 1 },
- ];
- var youngest = _.chain(users)
- .sortBy("age")
- .map(function (o) {
- return o.user + " is " + o.age;
- })
- .head()
- .value();
- // => 'pebbles is 1'
思考與總結(jié)
本文從編程范式開(kāi)始，分析了函數(shù)式編程的定位，進(jìn)一步引申出函數(shù)式編程的概念，然后基于一些工作中的案例，實(shí)戰(zhàn)了函數(shù)式編程的應(yīng)用場(chǎng)景，希望大家都能輕松地認(rèn)識(shí)函數(shù)式編程。
