JavaScript函数式编程(一)

JavaScript函数式编程(一)

Stark伟Stark伟

一、引言

说到函数式编程,大家可能第一印象都是学院派的那些晦涩难懂的代码,充满了一大堆抽象的不知所云的符号,似乎只有大学里的计算机教授才会使用这些东西。在曾经的某个时代可能确实如此,但是近年来随着技术的发展,函数式编程已经在实际生产中发挥巨大的作用了,越来越多的语言开始加入闭包,匿名函数等非常典型的函数式编程的特性,从某种程度上来讲,函数式编程正在逐步“同化”命令式编程。

JavaScript 作为一种典型的多范式编程语言,这两年随着React的火热,函数式编程的概念也开始流行起来,RxJS、cycleJS、lodashJS、underscoreJS等多种开源库都使用了函数式的特性。所以下面介绍一些函数式编程的知识和概念。


二、纯函数

如果你还记得一些初中的数学知识的话,函数 f 的概念就是,对于输入 x 产生一个输出 y = f(x)。这便是一种最简单的纯函数。纯函数的定义是,对于相同的输入,永远会得到相同的输出,而且没有任何可观察的副作用,也不依赖外部环境的状态。

下面来举个栗子,比如在Javascript中对于数组的操作,有些是纯的,有些就不是纯的:

var arr = [1,2,3,4,5];

// Array.slice是纯函数,因为它没有副作用,对于固定的输入,输出总是固定的
// 可以,这很函数式
xs.slice(0,3);
//=> [1,2,3]
xs.slice(0,3);
//=> [1,2,3]

// Array.splice是不纯的,它有副作用,对于固定的输入,输出不是固定的
// 这不函数式
xs.splice(0,3);
//=> [1,2,3]
xs.splice(0,3);
//=> [4,5]
xs.splice(0,3);
//=> []

在函数式编程中,我们想要的是 slice 这样的纯函数,而不是 splice这种每次调用后都会把数据弄得一团乱的函数。

为什么函数式编程会排斥不纯的函数呢?下面再看一个例子:

//不纯的
var min = 18;
var checkage = age => age > min;

//纯的,这很函数式
var checkage = age => age > 18;

在不纯的版本中,checkage 这个函数的行为不仅取决于输入的参数 age,还取决于一个外部的变量 min,换句话说,这个函数的行为需要由外部的系统环境决定。对于大型系统来说,这种对于外部状态的依赖是造成系统复杂性大大提高的主要原因。

可以注意到,纯的 checkage 把关键数字 18 硬编码在函数内部,扩展性比较差,我们可以在后面的柯里化中看到如何用优雅的函数式解决这种问题。

纯函数不仅可以有效降低系统的复杂度,还有很多很棒的特性,比如可缓存性:

import _ from 'lodash';
var sin = _.memorize(x => Math.sin(x));

//第一次计算的时候会稍慢一点
var a = sin(1);

//第二次有了缓存,速度极快
var b = sin(1);

三、函数的柯里化

函数柯里化(curry)的定义很简单:传递给函数一部分参数来调用它,让它返回一个函数去处理剩下的参数。

比如对于加法函数 var add = (x, y) => x + y ,我们可以这样进行柯里化:

//比较容易读懂的ES5写法
var add = function(x){
    return function(y){
        return x + y
    }
}

//ES6写法,也是比较正统的函数式写法
var add = x => (y => x + y);

//试试看
var add2 = add(2);
var add200 = add(200);

add2(2); // =>4
add200(50); // =>250

对于加法这种极其简单的函数来说,柯里化并没有什么大用处。

还记得上面那个 checkage 的函数吗?我们可以这样柯里化它:

var checkage = min => (age => age > min);
var checkage18 = checkage(18);
checkage18(20);
// =>true

事实上柯里化是一种“预加载”函数的方法,通过传递较少的参数,得到一个已经记住了这些参数的新函数,某种意义上讲,这是一种对参数的“缓存”,是一种非常高效的编写函数的方法:

import { curry } from 'lodash';

//首先柯里化两个纯函数
var match = curry((reg, str) => str.match(reg));
var filter = curry((f, arr) => arr.filter(f));

//判断字符串里有没有空格
var haveSpace = match(/\s+/g);

haveSpace("ffffffff");
//=>null

haveSpace("a b");
//=>[" "]

filter(haveSpace, ["abcdefg", "Hello World"]);
//=>["Hello world"]

四、函数组合

学会了使用纯函数以及如何把它柯里化之后,我们会很容易写出这样的“包菜式”代码:

h(g(f(x)));

虽然这也是函数式的代码,但它依然存在某种意义上的“不优雅”。为了解决函数嵌套的问题,我们需要用到“函数组合”:

//两个函数的组合
var compose = function(f, g) {
    return function(x) {
        return f(g(x));
    };
};

//或者
var compose = (f, g) => (x => f(g(x)));

var add1 = x => x + 1;
var mul5 = x => x * 5;

compose(mul5, add1)(2);
// =>15 

我们定义的compose就像双面胶一样,可以把任何两个纯函数结合到一起。当然你也可以扩展出组合三个函数的“三面胶”,甚至“四面胶”“N面胶”。

这种灵活的组合可以让我们像拼积木一样来组合函数式的代码:

var first = arr => arr[0];
var reverse = arr => arr.reverse();

var last = compose(first, reverse);

last([1,2,3,4,5]);
// =>5

五、Point Free

有了柯里化和函数组合的基础知识,下面介绍一下Point Free这种代码风格。

细心的话你可能会注意到,之前的代码中我们总是喜欢把一些对象自带的方法转化成纯函数:

var map = (f, arr) => arr.map(f);

var toUpperCase = word => word.toUpperCase();

这种做法是有原因的。

Point Free这种模式现在还暂且没有中文的翻译,有兴趣的话可以看看这里的英文解释:

en.wikipedia.org/wiki/T

用中文解释的话大概就是,不要命名转瞬即逝的中间变量,比如:

//这不Piont free
var f = str => str.toUpperCase().split(' ');

这个函数中,我们使用了 str 作为我们的中间变量,但这个中间变量除了让代码变得长了一点以外是毫无意义的。下面改造一下这段代码:

var toUpperCase = word => word.toUpperCase();
var split = x => (str => str.split(x));

var f = compose(split(' '), toUpperCase);

f("abcd efgh");
// =>["ABCD", "EFGH"]

这种风格能够帮助我们减少不必要的命名,让代码保持简洁和通用。当然,为了在一些函数中写出Point Free的风格,在代码的其它地方必然是不那么Point Free的,这个地方需要自己取舍。


六、声明式与命令式代码

命令式代码的意思就是,我们通过编写一条又一条指令去让计算机执行一些动作,这其中一般都会涉及到很多繁杂的细节。

而声明式就要优雅很多了,我们通过写表达式的方式来声明我们想干什么,而不是通过一步一步的指示。

//命令式
var CEOs = [];
for(var i = 0; i < companies.length; i++){
    CEOs.push(companies[i].CEO)
}

//声明式
var CEOs = companies.map(c => c.CEO);

命令式的写法要先实例化一个数组,然后再对 companies 数组进行for循环遍历,手动命名、判断、增加计数器,就好像你开了一辆零件全部暴露在外的汽车一样,虽然很机械朋克风,但这并不是优雅的程序员应该做的。

声明式的写法是一个表达式,如何进行计数器迭代,返回的数组如何收集,这些细节都隐藏了起来。它指明的是做什么,而不是怎么做。除了更加清晰和简洁之外,map 函数还可以进一步独立优化,甚至用解释器内置的速度极快的 map 函数,这么一来我们主要的业务代码就无须改动了。

函数式编程的一个明显的好处就是这种声明式的代码,对于无副作用的纯函数,我们完全可以不考虑函数内部是如何实现的,专注于编写业务代码。优化代码时,目光只需要集中在这些稳定坚固的函数内部即可。

相反,不纯的不函数式的代码会产生副作用或者依赖外部系统环境,使用它们的时候总是要考虑这些不干净的副作用。在复杂的系统中,这对于程序员的心智来说是极大的负担。


七、尾声

任何代码都是要有实际用处才有意义,对于JS来说也是如此。然而现实的编程世界显然不如范例中的函数式世界那么美好,实际应用中的JS是要接触到ajax、DOM操作,NodeJS环境中读写文件、网络操作这些对于外部环境强依赖,有明显副作用的“很脏”的工作。

这对于函数式编程来说也是很大的挑战,所以我们也需要更强大的技术去解决这些“脏问题”。我会在下一篇文章中介绍函数式编程的更加高阶一些的知识,例如Functor、Monad等等概念。


八、参考

1、github.com/MostlyAdequa

2、ibm.com/developerworks/

3、《JavaScript函数式编程》【美】迈克尔·佛格斯

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