2022，值得学习系列之：函数式编程
在诞生近 70 年之后， 函数式编程（Functional Programming）开始获得越来越多的关注。并且随着时间推移、技术演变，它与前端开发，结合的也越发紧密；前些日子，读了些文章，对函数式编程有了粗浅的了解，并在代码上做了些实践，发现这种思想非常有趣，喜之不已。近日我女神对它突感好奇，于是乎，便结合业界已有之分享，结合自己理解与实践，梳理成文，以便解释。
与非函数式的区别
非函数式的示例代码如下：
let counter = 0
const increment = () => {
counter++
}
const increment = (counter) => {
return counter + 1
}
你可能会觉得这个例子太过普通。但，这就是函数式编程的准则：不依赖于外部的数据，而且也不改变外部数据的值，而是返回一个新的值给你。
再看一段复杂一点，却较为 实用的代码示例 ：
const handleSearch = (_keywords) => {
let queryResultArr;
if (!_keywords) {
queryResultArr = []
} else {
queryResultArr = getQueryResult(_keywords)
}
setQueryResultArr(queryResultArr)
setIsShowResults(queryResultArr.length > 0)
}
const throttle = (fn, wait) => {
let pre = Date.now();
return function () {
const context = this;
const args = arguments;
const now = Date.now();
if (now - pre >= wait) {
fn.apply(context, args)
pre = Date.now()
}
}
}
const requestSearchFunc = throttle(handleSearch, 200)
const handleInputChange = (event) => {
const value = event.target.value;
setKeywords(value)
requestSearchFunc(value)
}
可以使用 throttle 来节流函数，如：requestSearchFunc；这个技术其实就是 Currying 技术（把一个函数的多个参数分解成多个函数， 然后把函数多层封装起来，每层函数都返回一个函数去接收下一个参数这样，可以简化函数的多个参数）。从这个技术上，你可能体会到函数式编程的理念：把函数当成变量来用，关注于描述问题而不是怎么实现，这样可以让代码更易读。
过程式 vs 函数式
过程式编程，主要要采取过程调用，或函数调用的方式来进行流程控制；它主要关注：一步一步地解决问题。这是完全有效的编码方式，但当您希望应用程序扩展时，它存在许多缺点。而函数式编程（ Functional Programming）关注的是：描述要做什么，而不是如何做（describe what to do, rather than how to do it）。
举例来说，对于一个英文名数组，需要将其中短横线命名，转化为大驼峰格式。基于传统过程式编程，可能你不会想太多，直接将想法用代码来表达出来，临时变量、循环语句，用的飞起：
const nameArr = ['nice-jade', 'rayso-lee', 'jon-snow', 'arya-stark'];
const newArr = [];
for (let i = 0, len = nameArr.length; i < len ; i++) {
let name = nameArr[i];
let tempNameArr = name.split('-');
let newNameArr = [];
for (let j = 0, nameLen = tempNameArr.length; j < nameLen; j++) {
let newFormatName = tempNameArr[j][0].toUpperCase() + tempNameArr[j].slice(1);
newNameArr.push(newFormatName);
}
newArr.push(newNameArr.join(' '));
}
console.log(newArr)
// [ 'Nice Jade', 'Rayso Lee', 'Jon Snow', 'Arya Stark' ]
这是可以达成目标的答案，它完全面向过程；虽然在编码时候，能够将想法淋漓尽致表现出来。但对于阅读的人，十分不够友好。因为这中间夹杂了复杂的逻辑，充斥了大量临时变量、循环、状态变化等等；通常您需要：从头读到尾才知道它具体做了什么，而且一旦出问题，很难定位。当然，你也可以将如上代码，拆分成几个函数：
const nameArr = ['nice-jade', 'rayso-lee', 'jon-snow', 'arya-stark']
const capitalize = (str) => str[0].toUpperCase() + str.slice(1).toLowerCase()
const convertName = (name) => {
let tempNameArr = name.split('-')
let newNameArr = []
for (let j = 0, nameLen = tempNameArr.length; j < nameLen; j++) {
let newFormatName = capitalize(tempNameArr[j])
newNameArr.push(newFormatName)
}
return newNameArr.join(' ')
}
const getNewArr = (nameArr) => {
const newArr = []
for (let i = 0, len = nameArr.length; i < len; i++) {
let name = nameArr[i]
const newName = convertName(name)
newArr.push(newName)
}
return newArr
}
const newNameArr = getNewArr(nameArr)
console.log(newNameArr)
// [ 'Nice Jade', 'Rayso Lee', 'Jon Snow', 'Arya Stark' ]
如此一来，阅读代码时，需要考虑的上下文少了许多，也就更容易。不像第一个示例，如果没有合理的注释说明，你还需要花些时间来理解。而把代码逻辑封装成了函数后，就相当于：给每个相对独立的程序逻辑取了个名字，于是代码成了自解释的。幸好，在这份代码中，函数间调用，没有依赖共享的变量，否则将会更加复杂。但，仍是充斥了临时变量、循环，增加代码量的同时，也加大了理解之难度。
如果基于函数式编程思想，那会是怎样的代码呢？
const { compose, map, join, split } = require('ramda')
const nameArr = ['nice-jade', 'rayso-lee', 'jon-snow', 'arya-stark']
const capitalize = (str) => str[0].toUpperCase() + str.slice(1).toLowerCase()
const convertName = compose(join(' '), map(capitalize), split('-'))
const newNameArr = nameArr.map((item) => convertName(item))
console.log(newNameArr)
// [ 'Nice Jade', 'Rayso Lee', 'Jon Snow', 'Arya Stark' ]>)
如上代码（有借助 ramda ——「实用的函数式 JavaScript 工具库」来实现），虽依然把程序的逻辑分成了函数，不过这些函数都是 Functional 的。因为它们有三个症状：
- 它们之间没有共享的变量。
- 函数间通过参数和返回值来传递数据。
- 在函数里没有临时变量。
从这个编程思路，可以清晰看出，函数式编程的思维过程是完全不同的，它的着眼点是函数，而不是过程，它强调的是：通过函数的组合、变换去解决问题，而不是通过写什么样的语句去解决问题；当你的代码越来越多的时候，这种函数的拆分和组合，就会产生出更加强大的力量。
什么函数式编程？
函数式编程 ，或称函数程序设计、泛函编程（英语：Functional Programming），是一种编程范式，它将电脑运算视为函数运算，并且避免使用程序状态以及易变对象。比起指令式编程，函数式编程更加强调程序执行的结果，而非执行的过程；倡导利用若干简单的执行单元，让计算结果不断渐进，逐层推导复杂的运算，而不是设计一个复杂的执行过程。
在函数式编程中，函数是头等对象，意思是说一个函数，既可以作为其它函数的输入参数值，也可以从函数中返回值，被修改或者被分配给一个变量。
不仅最古老的函数式语言 Lisp 重获青春，而且新的函数式语言层出不穷，比如 Erlang、clojure、Scala、F#等等。目前最当红的 Python、Ruby、Javascript，对函数式编程的支持都很强，就连老牌的面向对象的 Java、面向过程的 PHP，都忙不迭地加入对匿名函数的支持。越来越多的迹象表明，函数式编程已经不再是学术界的最爱，开始大踏步地在业界投入实用。
也许继"面向对象编程"之后，"函数式编程"会成为下一个编程的主流范式（paradigm）。未来的程序员恐怕或多或少都必须懂一点。—— 函数式编程初探 @阮一峰 （2012 年）
函数，即是一种描述集合和集合之间的转换关系，输入通过函数，都会返回有且只有一个输出值。函数实际上是一个关系，或者说成一种映射，而这种映射关系是可 组合 的，当知道一个函数的输出类型，可以匹配另一个函数的输入，那他们就可以进行组合。如上述代码中提及的 convertName 函数。
在编程世界中，需要处理的逻辑，其实只有“数据”和“关系”，而关系就是 函数。一旦映射关系（函数）找到了，问题即能迎刃而解；剩下的事情，就是让数据通过这种关系，然后转换成另一个数据而已。
函数式编程的特点
函数是"第一等公民"
所谓 "第一等公民" （First Class），指的是函数与其他数据类型一样，处于平等地位，可以赋值给其他变量，也可以作为参数，传入另一个函数，或者作为别的函数的返回值。如上文中代码：
const convertName = compose(join(' '), map(capitalize), split('-'))
无状态和数据不可变
无状态（Statelessness）和数据不可变（Immutable data），这是函数式编程的核心概念：
- 数据不可变：它要求你所有的数据都是不可变的，这意味着如果你想修改一个对象，那你应该创建一个新的对象用来修改，而不是修改已有的对象。
- 无状态：主要是强调对于一个函数，不管你何时运行，它都应该像第一次运行一样，给定相同的输入，给出相同的输出，完全不依赖外部状态的变化。
为了实现这个目标，函数式编程提出函数应该具备的特性：没有副作用和纯函数。
没有"副作用"
所谓"副作用"（side effect），指的是函数内部与外部互动（最典型的情况，就是修改全局变量的值），产生运算以外的其他结果。
函数式编程强调没有"副作用"，意味着函数要保持独立，所有功能就是返回一个新的值，没有其他行为，尤其是不得修改外部变量的值。
引用透明
引用透明（Referential transparency），指的是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。
有了前面的第三点和第四点，这点是很显然的。其他类型的语言，函数的返回值往往与系统状态有关，不同的状态之下，返回值是不一样的。这就叫"引用不透明"，很不利于观察和理解程序的行为。
惰性执行
所谓惰性执行（Lazy Evaluation），指的是函数只在需要的时候执行，即：不产生无意义的中间变量。像上面👆的例子，函数式编程跟命令式编程最大的区别就在于：几乎没有中间变量，它从头到尾都在写函数，只有在最后的时候才通过调用 convertName 产生实际的结果。
尾递归优化
迭代在函数式语言中常用递归来完成，用递归来实现控制流程的机制，是函数式编程的一个非常重要的特点。我想您当然知道 递归 的害处，那就是如果递归很深的话，stack 受不了，并会导致性能大幅度下降。所以，我们使用尾递归优化技术——每次递归时都会重用 stack，这样一来能够提升性能。尾递归的实现，其实是基于编译器的识别和优化的，编译器发现一个函数是尾递归，就会把它实现为与命令式编程中的迭代差不多的汇编码。
函数式编程相关技术
- map & reduce ：这个技术不用多说了，函数式编程最常见的技术，就是对一个集合做 Map 和 Reduce 操作。这比起过程式的语言来说，在代码上要更容易阅读。（传统过程式的语言需要使用 for/while 循环，然后在各种变量中把数据倒过来倒过去的）这个很像 C++中的 STL 中的 foreach，find_if，count_if 之流的函数的玩法。
- pipeline：这个技术的意思是，把函数实例成一个一个的 action，然后，把一组 action 放到一个数组或是列表中，然后把数据传给这个 action list，数据就像一个 pipeline 一样顺序地被各个函数所操作，最终得到我们想要的结果。
- compose：它可以接收多个独立的函数作为参数，然后将这些函数进行组合串联，最终返回一个“组合函数”。
pipe与compose的共同点是：都返回“组合函数”，区别则是执行的顺序不同，前者是从左向右执行，后者则是从右向左执行。 - recursing 递归 ：递归最大的好处就简化代码，他可以把一个复杂的问题用很简单的代码描述出来。注意：递归的精髓是描述问题，而这正是函数式编程的精髓。
- currying：把一个函数的多个参数分解成多个函数， 然后把函数多层封装起来，每层函数都返回一个函数去接收下一个参数这样，可以简化函数的多个参数。在 C++中，这个很像 STL 中的 bind_1st 或是 bind2nd。
- higher order function 高阶函数：所谓高阶函数就是函数当参数，把传入的函数做一个封装，然后返回这个封装函数。现象上就是函数传进传出，就像面向对象对象满天飞一样。
函数式编程的意义
- 代码简洁，开发快速：大量使用函数，减少了代码的重复，因此程序比较短，开发速度较快；
- 接近自然语言，易于理解：函数式编程的自由度很高，可以写出很接近自然语言的代码；
- 更方便的代码管理：不依赖、也不会改变外界的状态，只要给定输入参数，返回的结果必定相同；
- 更少的出错概率：因为每个函数都很小，而且相同输入，永远可以得到相同的输出，测试也很简单；
- 易于"并发编程"：因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题；
- 代码的热升级：基于没有副作用特点，只要保证接口不变，内部实现是外部无关的。
函数式编程，结语
正如您在函数式编程中看到的，它希望使用小的（理想情况下是纯函数）函数来解决问题。这种方法也非常具有可 扩展性，并且函数可以 重用。
没有更好和更坏的范式。有经验的开发人员，可以看到每种范式的优点，并为给定的问题选择相对更合适的。过程式编程，并不是说你不能使用函数；函数式编程也不会阻止你使用“类”。这些范式，只是以一种随代码增长而有益的方式，来帮助解决问题。
原文首发于：浅谈关于「函数式编程」的理解 ｜ 宜想悠然亭，@2022 年 05 月 30 日。
