函数式编程初探（一）

12 Nov 2016

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一、前言

　　作为一名从业以来一直在编写Java的程序媛，虽然项目里经常用java8的lambda，可是在引入RxJava之后，函数作为参数传递更加普遍，故阅读《函数式编程思维》一书，以求了解函数式编程。

二、定义

　　函数式编程(Functional Programming)是一种编程范式（programming paradigm），也就是如何编写程序的方法论。主要思想是把运算过程尽量写成一系列嵌套的函数调用。

三、背景

　　函数式编程（Functional Programming）其实相对于计算机的历史而言是一个非常古老的概念，甚至早于第一台计算机的诞生。函数式编程的基础模型来源于 λ 演算，而 λ 演算并非设计于在计算机上执行，它是由 Alonzo Church 和 Stephen Cole Kleene 在 20 世纪三十年代引入的一套用于研究函数定义、函数应用和递归的形式系统。

四、为什么？

　　在《函数式编程思维》这本书中，多处指出函数式编程思维的好处之一,是能够将低层次细节的控制权移交给运行时,从而消弭了一大批注定会发生的程序错误。这使得程序员得以在更高的抽象层次上工作，同时运行时也有了执行复杂优化的自由空间。

　　在阮一峰的《函数式编程初探》一文中，函数式编程的五大特点如下：

函数是”第一等公民”
只用”表达式”，不用”语句”
没有”副作用”
不修改状态
引用透明　　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。

　　函数式编程的好处如下：

代码简洁，开发快速
接近自然语言，易于理解
更方便的代码管理(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以及模块化组合)
易于”并发编程”
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）

五、转变思维

　　先大致说明一下函数式编程与命令式编程的区别吧！

　　命令式编程：按照”程序是一系列改变状态的命令”来建模的一种编程风格。
　　函数式编程将程序描述为表达式和变换，以数学方程的形式建立模型，并且尽量避免可变的状态。

　　《Working with Lagacy Code》的作者Michael Feathers的用以下一句话说明了函数式抽象和面向对象抽象的关键区别：

面向对象编程通过封装不确定因素来使代码能被人理解；函数式编程通过尽量减少不确定因素来使代码能被人理解。——Michael Feathers

　　在面向对象的命令式编程语言里面，重用的单元是类和类之间沟通用的消息。所以OOP的世界提倡开发人员针对具体问题建立专门的数据结构，相关的专门操作以”方法”的形式附加在数据结构上。函数式编程语言重用的思路很不一样，它提倡在有限的几种关键数据结构（如list、set、map）上运用针对这些数据结构高度优化过的操作，以此构成基本运转结构。

六、基本概念及使用介绍

Hello World

　　程序员往往都是讨厌看文档而偏爱看代码的，上述那么多文字，你不一定看的下去，还是首先来一个hello world吧。对于计算表达式（1+2）* 3，

传统的编程方式是： int a = 1 + 2 int b = a * 3

而对于函数式编程方式是： int result = multiply(add(1,2), 3) 这里函数作为参数进行传递。

函数式编程的常见函数

　　从一个例子说起，假设我们有一个名字列表，其中一些条目由单个字符构成。现在的任务是：

除去单字符条目
放在一个逗号分隔的字符串中进行返回

每个名字的首字母都是大写代码可参考《函数式编程思维》的github 传统的java实现

  public String cleanNames(List<String> listOfNames) {
      StringBuilder result = new StringBuilder();
      for(int i = 0; i < listOfNames.size(); i++) {
          if (listOfNames.get(i).length() > 1) {
              result.append(capitalizeString(listOfNames.get(i))).append(",");
          }
      }
      return result.substring(0, result.length() - 1).toString();
  }
  public String capitalizeString(String s) {
      return s.substring(0, 1).toUpperCase() + s.substring(1, s.length());
  }

命令式编程鼓励程序员将操作安排在循环内部执行，本例中的三个操作filter、transform、convert都必须依赖于相同的低层次机制。

Java8的实现：

    public String cleanNames(List<String> names) {
        if (names == null) return "";
        return names
                .stream()
                .filter(name -> name.length() > 1)
                .map(name -> capitalize(name))
                .collect(Collectors.joining(","));
    }
    private String capitalize(String e) {
        return e.substring(0, 1).toUpperCase() + e.substring(1, e.length());
    }

　　两者的对比，可以发现后者这种更高层次的抽象思考有一些好处：

促使我们换一种角度去归类问题，看到问题的共性。
让运行时有更大的余地去做只能的优化（有时候调整作业的先后顺序会更有效率）。
让埋头实现细节的开发者看到原本视野之外的解决方案（比如，如果改用多线程，传统的方式可能需要自己手动穿插一些线程相关的代码）

　　可以从上述例子中，看到三个函数filter、map、fold/reduce的影子。

filter——筛选根据用户定义的条件来筛选列表中的条目，并由此产生一个较小的新列表。
map——映射对原集合的每一个元素执行给定的函数，从而变换成一个新的集合。
fold/reduce——折叠/化约用一个累积量来”收集”集合元素。

　　总而言之，函数式编程以参数传递和函数的复合作为主要的表现手段，我们不需要掌握太多作为”不确定因素”存在的其他语言构造之间的交互规则。

　　本篇只讲述了函数式编程的概念、背景和三个具有普遍意义的基本构造单元，下一篇我会讲述一些柯里化与部分施用、缓存、缓求值、函数式的数据结构。