轻松玩转函数式编程
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2020-10-21 09:02
最近和一些同学讨论了函数式编程，很多同学总觉得听起来很高大上，但用起来却无从下手。于是我抽时间捋了捋，将平时工作中用到的函数式编程案例和思想整理了出来，相信阅读本文后，大家都能快速上手函数式编程。
函数式编程目前使用范围非常广，常用的框架，语言几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。 工具库：underscore、lodash、ramda。 部署方式：serverless。 后端：java、c# 中的 lamda 表达式。
本文将通过以下 3 个部分来深入函数式编程。
编程范式 函数式编程 函数式编程常见案例
编程范式
编程范式 指的是一种编程风格，它描述了程序员对程序执行的看法。在编程的世界中，同一个问题，可以站在多个角度去分析解决，这些不同的解决方案就对应了不同的编程风格。
常见的编程范式有：
命令式编程 面向过程编程 C 面向对象编程 C++、C#、Java 声明式编程 函数式编程 Haskell
命令式编程
命令式编程 是使用最广的一种编程风格，它是站在计算机的角度去思考问题，主要思想是 关注计算机执行的步骤，即一步一步告诉计算机先做什么再做什么。
由于存在很多需要控制的步骤，所以命令式编程普遍存在以下特点：
控制语句 循环语句：while、for 条件分支语句：if else、switch 无条件分支语句：return、break、continue 变量 赋值语句
根据这些特点，我们来分析一个命令式编程案例：
// 需求：筛选出数组中为奇数的子集合
const array = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9];
// 步骤1：定义执行结果变量
let reult = [];
// 步骤2：控制程序循环调用
for (let i = 0; i < array.length; i++) {
// 步骤3：判断筛选条件
if (array[i] % 2 !== 0) {
// 步骤4：加入执行结果
reult.push(array[i]);
}
}
// 步骤5：得到最终的结果 result
以上代码通过 5 个步骤，实现了数组的筛选，这并没有什么问题，但细心的同学可能会感到疑惑：这样写的代码量太长了，而且并不语义化，只有阅读完每一行的代码，才知道具体执行的是什么逻辑。
没错，这就是命令式编程的典型特点，除此之外，还有以下几点：
命令式编程的每一个步骤都可以由程序员定义，这样可以更精细化、更严谨地控制代码，从而提高程序的性能。 命令式编程的每一个步骤都可以记录中间结果，方便调试代码。 命令式编程需要大量的流程控制语句，在处理多线程状态同步问题时，容易造成逻辑混乱，通常需要加锁来解决。
声明式编程
声明式编程 同样是一种编程风格，它通过定义具体的规则，以便系统底层可以自动实现具体功能。主要思想是 告诉计算机应该做什么，但不指定具体要怎么做。
由于需要定义规则来表达含义，所以声明式编程普遍存在以下特点：
代码更加语义化，便于理解。 代码量更少。 不需要流程控制代码，如：for、while、if 等。
接下来，我们将上文中的数组筛选，用声明式的方式重构一下：
// 筛选出数组中为奇数的子集合
const array = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9];
const reult = array.filter((item) => item % 2 !== 0);
可以看到，声明式编程没有冗余的操作步骤，代码量非常少，并且非常语义化，当我们读到 filter 的时候，自然而然就知道是在做筛选。
我们再看一个案例：
# 使用 sql 语句，查询 id 为 25 的学生
select * from students where id=25
在上述代码中，我们只是告诉计算机，我想查找 id 为 25 的同学，计算机就能给我们返回对应的数据了，至于是怎么查找出来的，我们并不需要关心，只要结果是正确的即可。
除了上述例子之外，还有很多声明式编程的案例：
html 用来声明了网页的内容。 css 用来声明网页中元素的外观。 正则表达式，声明匹配的规则。
有了以上几个案例，我们来总结一下声明式编程的优缺点：
声明式编程不需要编写复杂的操作步骤，可以大大减少开发者的工作量。 声明式编程的具体操作都是底层统一管理，可以降低重复工作。 声明式编程底层实现的逻辑并不可控，不适合做更精细化的优化。
函数式编程
函数式编程 属于声明式编程中的一种，它的主要思想是 将计算机运算看作为函数的计算，也就是把程序问题抽象成数学问题去解决。
函数式编程中，我们可以充分利用数学公式来解决问题。也就是说，任何问题都可以通过函数（加减乘除）和数学定律（交换律、结合律等），一步一步计算，最终得到答案。
函数式编程中，所有的变量都是唯一的值，就像是数学中的代数 x、y，它们要么还未解出来，要么已经被解出为固定值，所以对于：x=x+1 这样的自增是不合法的，因为修改了代数值，不符合数学逻辑。
除此之外，严格意义上的函数式编程也不包括循环、条件判断等控制语句，如果需要条件判断，可以使用三元运算符代替。
文章开头我们提到了 webpack-chain，我们一起来看一下：
// 使用 webpack-chain 来编写 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 可以通过链式的函数 api 来创建和修改 webpack 配置，从而更方便地创建和修改 webpack 配置。试想一下，如果一份 webpack 配置需要用于多个项目，但每个项目又有一些细微的不同配置，这个应该怎么处理呢？
如果使用 webpack-chain 去修改配置，一个函数 api 就搞定了，而使用命令式的编程，则需要去逐步遍历整个 webpack 配置文件，找出需要修改的点，才能进行修改，这无疑就大大减少了我们的工作量。
函数式编程的特点
根据维基百科权威定义，函数式编程有以下几个特点：
函数是一等公民 函数可以和变量一样，可以赋值给其他变量，也可以作为参数，传入一个函数，或者作为别的函数返回值。 只用表达式，不用语句： 表达式是一段单纯的运算过程，总是有返回值。 语句是执行某种操作，没有返回值。 也就是说，函数式编程中的每一步都是单纯的运算，而且都有返回值。 无副作用 不会产生除运算以外的其他结果。 同一个输入永远得到同一个数据。 不可变性 不修改变量，返回一个新的值。 引用透明 函数的运行不依赖于外部变量，只依赖于输入的参数。
以上的特点都是函数式编程的核心，基于这些特点，又衍生出了许多应用场景：
纯函数：同样的输入得到同样的输出，无副作用。 函数组合：将多个依次调用的函数，组合成一个大函数，简化操作步骤。 高阶函数：可以加工函数的函数，接收一个或多个函数作为输入、输出一个函数。 闭包：函数作用域嵌套，实现的不同作用域变量共享。 柯里化：将一个多参数函数转化为多个嵌套的单参数函数。 偏函数：缓存一部分参数，然后让另一些参数在使用时传入。 惰性求值：预先定义多个操作，但不立即求值，在需要使用值时才去求值，可以避免不必要的求值，提升性能。 递归：控制函数循环调用的一种方式。 尾递归：避免多层级函数嵌套导致的内存溢出的优化。 链式调用：让代码更加优雅。
这些应用场景都大量存在于我们的日常工作中，接下来我们通过几个案例来实战一下。
函数式编程常见案例
基于函数式编程的应用场景，我们来实现几个具体的案例。
函数组合 柯里化 偏函数 高阶函数 尾递归 链式调用
1、函数组合，组合多个函数步骤。
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 + "!";
}
// 将多个函数按照先后执行顺序组合成一个函数，简化多个调用步骤。
const composedFn = compose(toSigh, toLocaleUpperCase);
console.log("函数组合：", composedFn("msx"));
// 函数组合：MSX!
2、柯里化，将一个多参数函数转化为多个嵌套的单参数函数。
// 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);
}
};
}
// 加法函数
function add(a, b, c, d) {
return a + b + c + d;
}
// 将一个多参数函数转化为多个嵌套的单参数函数
console.log("柯里化：", curry(add)(1)(2)(3)(4));
// 柯里化：10
3、偏函数，缓存一部分参数，然后让另一些参数在使用时传入。
// 偏函数
function isTypeX(type) {
return function (obj) {
return Object.prototype.toString.call(obj) === `[object ${type}]`;
};
}
// 缓存一部分参数，然后让另一些参数在使用时传入。
const isObject = isTypeX("Object");
const isNumber = isTypeX("Number");
console.log("偏函数测试：", isObject({ a: 1 }, 123)); // true
console.log("偏函数测试：", isNumber(1)); // true
4、惰性求值，预先定义多个操作，但不立即求值，在需要使用值时才去求值，可以避免不必要的求值，提升性能。
// 这里使用 C# 中的 LINQ 来演示
// 假设数据库中有这样一段数据 db.Gems [4,15,20,7,3,13,2,20];
var q =
db.Gems
.Select(c => c < 10)
.Take(3)
// 只要不调用 ToList 就不会求值
// 在具体求值的时候，会将预先定义的方法进行优化整合，以产生一个最优的解决方案，才会去求值。
.ToList();
上述代码中，传统的求值会遍历 2 次，第一次遍历整个数组（8 项），筛选出小于 10 的项，输出 [4,7,3,2]，第二次遍历这个数组（4 项），输出 [4,7,3]。
如果使用惰性求值，则会将预先定义的所有操作放在一起进行判断，所以只需要遍历 1 次就可以了。在遍历的同时判断 是否小于 10 和 小于 10 的个数是否为 3，当遍历到第 5 项时，就能输出 [4,7,3]。
相比传统求值遍历的 8+4=12 项，使用惰性求值则只需遍历 5 项，程序的运行效率也就自然而然地得到了提升。
5、高阶函数，可以加工函数的函数（接收一个或多个函数作为输入、输出一个函数）。
// React 组件中，将一个组件，封装为带默认背景色的新组件。
// styled-components 就是这个原理
function withBackgroundRedColor (wrapedComponent) {
return class extends Component {
render () {
return (<div style={backgroundColor: 'red} >
<wrapedComponent {...this.props} />
div>)
}
}
}
6、递归和尾递归。
// 普通递归，控制函数循环调用的一种方式。
function fibonacci(n) {
if (n === 0) {
return 0;
}
if (n === 1) {
return 1;
}
return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);
}
console.log("没有使用尾递归，导致栈溢出", fibonacci(100));
// 尾递归，避免多层级函数嵌套导致的内存溢出的优化。
function fibonacci2(n, result, preValue) {
if (n == 0) {
return result;
}
return fibonacci2(n - 1, preValue, result + preValue);
}
// result = 0, preValue = 1
console.log("使用了尾递归，不会栈溢出", fibonacci2(100, 0, 1));
6、链式调用
// lodash 中，一个方法调用完成之后，可以继续链式调用其他的方法。
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'
思考与总结
本文从编程范式开始，分析了函数式编程的定位，进一步引申出函数式编程的概念，然后基于一些工作中的案例，实战了函数式编程的应用场景，希望大家都能轻松地认识函数式编程。
最后，如果你对此有任何想法，欢迎留言评论！
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