源起

在過(guò)去的近十年時(shí)間里，面向?qū)ο缶幊檀笮衅涞榔薄ＴS多企業(yè)級(jí)的應(yīng)用都是基于面向過(guò)程和面向?qū)ο髢煞N編程模型實(shí)現(xiàn)善延。日前，接觸了Python語(yǔ)言幻妓，學(xué)習(xí)了Python語(yǔ)言中的函數(shù)式編程，讓我對(duì)編程模式有了全新的認(rèn)識(shí)劫拢，故寫下此文肉津，與大家一起學(xué)習(xí)探討。

什么是函數(shù)式編程

在維基百科中舱沧，已經(jīng)對(duì)函數(shù)式編程有了詳細(xì)的介紹妹沙。

In computer science, functional programming is a programming paradigm—a style of building the structure and elements of computer programs—that treats computation as the evaluation of mathematical functions and avoids changing-state and mutable data.

顧名思義，函數(shù)式編程是一種編程模型熟吏，它將計(jì)算機(jī)運(yùn)算看作是數(shù)學(xué)中函數(shù)的計(jì)算距糖，并且避免了狀態(tài)變化和可變數(shù)據(jù)元素。

一般地牵寺，編程語(yǔ)言分為命令式和聲明式兩類悍引。我們之前常使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言諸如C,C++,Java都屬于命令式編程，諸如Lisp,Hashkell則是函數(shù)式編程的代表帽氓。時(shí)下比較流行的Python,Scala由于支持多種編程模式趣斤，既支持命令式編程，也支持函數(shù)式編程黎休；對(duì)于我們熟識(shí)的Java語(yǔ)言也在Java8開(kāi)始也支持了如lambda表達(dá)式等函數(shù)式編程的特性浓领。

在命令式編程中玉凯，通過(guò)一系列改變程序狀態(tài)的指令來(lái)完成計(jì)算，賦值語(yǔ)句占據(jù)著主導(dǎo)的地位联贩；相應(yīng)的漫仆，函數(shù)式編程則是通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)的表達(dá)式變換和計(jì)算來(lái)求值，函數(shù)具有至高無(wú)上的地位泪幌。

函數(shù)式編程的意義

函數(shù)式編程到底有什么好處盲厌，讓眾多開(kāi)發(fā)者如此趨之如騖？

• 首先座菠，函數(shù)式編程更加模塊化狸眼，其定義了更加有用，容易重用浴滴，組合以及測(cè)試的抽象拓萌，使得代碼簡(jiǎn)潔，開(kāi)發(fā)快速升略，大大降低開(kāi)發(fā)成本微王。
• 其次，易于并發(fā)編程品嚣。由于函數(shù)式編程不修改變量炕倘，所以不存在“鎖”線程的問(wèn)題，不需要考慮死鎖（deadlock)翰撑。
• 再者罩旋，函數(shù)式編程回歸簡(jiǎn)單。如對(duì)表達(dá)式（1+2）*3-4眶诈，函數(shù)式方式可以通過(guò)add(1,2).multiply(3).subtract(4)來(lái)實(shí)現(xiàn)涨醋，更接近自然語(yǔ)言，易于理解逝撬。
• 更進(jìn)一步說(shuō)浴骂，函數(shù)式編程易于測(cè)試。由于函數(shù)式編程的每一個(gè)符號(hào)都是final的宪潮，沒(méi)有函數(shù)會(huì)產(chǎn)生副作用溯警。因?yàn)闆](méi)有在某個(gè)地方修改過(guò)值，也就沒(méi)有函數(shù)修改過(guò)在其作用域之外的量并被其他函數(shù)使用（如類成員或全局變量）狡相。因此梯轻，對(duì)于被測(cè)試程序中的每個(gè)函數(shù)，你只需在意其參數(shù)谣光，而不必考慮函數(shù)的條用順序檩淋，索要做的就是傳遞代表了邊際情況的參數(shù)。
• 最后萄金，支持代碼熱部署蟀悦。對(duì)于函數(shù)式的程序，所有的狀態(tài)即傳遞給函數(shù)的參數(shù)都被保存在堆棧上氧敢，只要保證接口不變日戈，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)是與外部無(wú)關(guān)的，這使得對(duì)代碼進(jìn)行熱部署成為可能孙乖。

幾個(gè)特征

高階函數(shù)

如果說(shuō)對(duì)象是在面向?qū)ο缶幊讨械幕A(chǔ)浙炼，那么函數(shù)則是函數(shù)式編程的第一塊磚頭。在面向?qū)ο缶幊讨形ò溃覀儼褜?duì)象傳來(lái)傳去弯屈，那在函數(shù)式編程中，我們要做的就是把函數(shù)傳來(lái)傳去恋拷，于是就產(chǎn)生了高階函數(shù)资厉。
對(duì)于高階函數(shù)，我們作如下定義：

在數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)中蔬顾，高階函數(shù)式是至少滿足了下列一個(gè)條件的函數(shù)：

1. 接收一個(gè)或多個(gè)函數(shù)作為輸入
2. 輸出一個(gè)函數(shù)

比如對(duì)數(shù)組[1,2,3,4]中所有的元素都進(jìn)行值翻倍處理宴偿，對(duì)于命令式編程來(lái)說(shuō)（以C實(shí)現(xiàn)為例）

    int[] numbers = {1,2,3,4};
    for(int i = 0;i < numbers.length;i++){
        numbers[i] = numbers[i] * 2;
    }

相應(yīng)的，如果是使用函數(shù)式編程（以python實(shí)現(xiàn)為例）

    def doubling (x){
        return 2 * x;
    }
    s = map(doubling ,[1,2,3,4])

二者打印得到的結(jié)果是一樣的诀豁。相比而言窄刘，使用函數(shù)式編程的代碼更簡(jiǎn)潔。在這其中舷胜，函數(shù)doubing作為函數(shù)map參數(shù)的進(jìn)行輸入娩践，滿足高階函數(shù)定義的條件一。

Lambda表達(dá)式

Lambda表達(dá)式是基于數(shù)學(xué)中的λ演算得名烹骨，直接對(duì)應(yīng)于其中的lambda抽象(lambda abstraction)翻伺，是一個(gè)匿名函數(shù)。在2014年發(fā)布Java8也包含了此項(xiàng)特性展氓。使用lambda表達(dá)式對(duì)上述例子進(jìn)行運(yùn)算穆趴，可以做到一行代碼完成。

    s = map(lambda x: x * 2,[1,2,3,4])遇汞、

使用lambda表達(dá)式的好處就是減少代碼量未妹，使程序更加靈活易讀。

無(wú)狀態(tài)性

必須意識(shí)到空入，我們的程序是擁有“狀態(tài)”的络它。試想一下，在我們調(diào)試Java程序時(shí)歪赢，經(jīng)常會(huì)使用到添加斷點(diǎn)進(jìn)行單步跟蹤化戳。程序在執(zhí)行斷點(diǎn)就暫停，這個(gè)時(shí)候可以認(rèn)為程序停留在某一個(gè)狀態(tài)上。在這個(gè)狀態(tài)上保留了當(dāng)前定義的全部變量点楼。命令式編程是通過(guò)修改變量的值來(lái)保存當(dāng)前程序的狀態(tài)的扫尖。

而函數(shù)式編程不一樣，它是通過(guò)函數(shù)來(lái)保存程序的狀態(tài)的掠廓，或者更準(zhǔn)確一點(diǎn)换怖，它是通過(guò)函數(shù)創(chuàng)建新的參數(shù)或返回值來(lái)保存程序的狀態(tài)的。函數(shù)一層層的疊加起來(lái)蟀瞧，其中每個(gè)函數(shù)的參數(shù)或者返回結(jié)果來(lái)代表程序的一個(gè)中間狀態(tài)沉颂，過(guò)程式編程中對(duì)變量的修改在這里變成了一次函數(shù)轉(zhuǎn)換（一層函數(shù)的疊加）。這時(shí)悦污，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)铸屉，無(wú)論多少個(gè)進(jìn)程在跑，因?yàn)楸旧頍o(wú)賦值操作切端，所以不會(huì)影響到我們的最終結(jié)果彻坛。

柯里化

柯里化(英語(yǔ)：Currying)，把接受多個(gè)參數(shù)的函數(shù)變換成接受一個(gè)單一參數(shù)的函數(shù)帆赢，返回接受余下的參數(shù)并且返回結(jié)果的新函數(shù)小压。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，柯里化就是一個(gè)函數(shù)在參數(shù)沒(méi)給全時(shí)返回另一個(gè)函數(shù)椰于，返回的函數(shù)的參數(shù)正好是余下的參數(shù)怠益。

比如：如果你設(shè)定了x,y兩個(gè)參數(shù),那么2的4次方返回的就是16，但是如果你只是指定了x為2瘾婿，而沒(méi)有指定y,那么就會(huì)返回一個(gè)函數(shù)：2的y次方蜻牢，這個(gè)函數(shù)就只有一個(gè)參數(shù)y;

柯里化的好處是減少了函數(shù)的參數(shù)個(gè)數(shù)，并且模塊化了每步計(jì)算偏陪，與設(shè)計(jì)模式中的適配器模式（將一個(gè)接口轉(zhuǎn)換為另一個(gè)接口）類似抢呆，并且柯里化的應(yīng)用之一"惰性求值"也是函數(shù)式編程的一個(gè)重要特性

閉包

如果你是使用javascript語(yǔ)言進(jìn)行日常開(kāi)發(fā)，那么閉包對(duì)你來(lái)說(shuō)是個(gè)再熟悉不過(guò)的事物笛谦。

首先抱虐，來(lái)看看閉包的概念：閉包（Closure）是詞法閉包（Lexical Closure）的簡(jiǎn)稱，是引用了自由變量的函數(shù)饥脑。這個(gè)被引用的自由變量將和這個(gè)函數(shù)一同存在恳邀，即使已經(jīng)離開(kāi)了創(chuàng)造它的環(huán)境也不例外。所以灶轰，閉包是由函數(shù)和與其相關(guān)的引用環(huán)境組合而成的實(shí)體谣沸。

下面用python語(yǔ)言的代碼來(lái)舉個(gè)例子：

def f1(prefix):
    def f2(name):
        print prefix, name
    return f2

f = f1(1)
f(2)
f(3)

輸出的結(jié)果為：

1 2

1 3

可以看到，函數(shù)f2()訪問(wèn)了非本地變量prefix,這是正常的笋颤，但是為什么變量prefix在結(jié)束第一次函數(shù)運(yùn)行之后還會(huì)生效乳附，也就是輸出 1 2之后，在執(zhí)行下一次訪問(wèn)時(shí)，prefix還是有效的赋除？

在Python語(yǔ)言對(duì)閉包原理的實(shí)現(xiàn)中阱缓，當(dāng)內(nèi)嵌函數(shù)引用了包含它的函數(shù)中的變量后（此處為函數(shù)f2引用了函數(shù)f1傳入的參數(shù)prefix），這些變量會(huì)被保存在f1的__closure__屬性中,成為f1的一部分贤重，因此變量prefix會(huì)和f1存在一致的生命周期茬祷，也就是上文提到的清焕，被引用的自有變量將和該函數(shù)一同存在并蝗，即使已經(jīng)離開(kāi)了創(chuàng)造它的環(huán)境。

寫在最后

函數(shù)式編程秸妥，如文章開(kāi)頭所言滚停，是一種編程范式，并不局限在如Lisp,Hashkell這類函數(shù)式語(yǔ)言中才能使用≈嗑澹現(xiàn)代的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言很多都支持多模式键畴，只要具備一定的特性，就可以用來(lái)編寫函數(shù)式程序突雪，如python,scala等起惕。編程語(yǔ)言的流行程度與其擅長(zhǎng)的領(lǐng)域密切相關(guān)。函數(shù)式語(yǔ)言長(zhǎng)于數(shù)理邏輯以及并行程序咏删。命令式則擅于業(yè)務(wù)邏輯惹想，尤其是交互式或事件驅(qū)動(dòng)上。選擇何種語(yǔ)言督函，采用何種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)嘀粱，需要密切關(guān)聯(lián)實(shí)際業(yè)務(wù)需求做出最終的抉擇。就像如果要用scala完全取代了今天的Java工作辰狡，我想恐怕效果會(huì)很槽糕锋叨，而如果使用scala來(lái)負(fù)責(zé)底層服務(wù)的編寫，恐怕就比Java語(yǔ)言適合得多了宛篇。