函數式編程簡介

這要看您問的是誰， 函數式編程 functional programming （FP）要麼是一種理念先進的、應該廣泛傳播的程序設計方法；要麼是一種偏學術性的、實際用途不多的編程方式。在這篇文章中我將講解函數式編程，探究其優點，並推薦學習函數式編程的資源。

語法入門

本文的代碼示例使用的是 Haskell 編程語言。在這篇文章中你只需要了解的基本函數語法：

even :: Int -> Bool
even = ...    -- 具體的實現放在這裡

上述示例定義了含有一個參數的函數 even ，第一行是 類型聲明，具體來說就是 even 函數接受一個 Int 類型的參數，返回一個 Bool 類型的值，其實現跟在後面，由一個或多個等式組成。在這裡我們將忽略具體實現方法（名稱和類型已經足夠了）：

map :: (a -> b) -> [a] -> [b]
map = ...

這個示例，map 是一個有兩個參數的函數：

1. (a -> b) ：將 a 轉換成 b 的函數
2. [a]：一個 a 的列表，並返回一個 b 的列表。（LCTT 譯註： 將函數作用到 [a] （List 序列對應於其它語言的數組）的每一個元素上，將每次所得結果放到另一個 [b] ，最後返回這個結果 [b]。）

同樣我們不去關心要如何實現，我們只感興趣它的定義類型。a 和 b 是任何一種的的 類型變數 type variable 。就像上一個示例中， a 是 Int 類型， b 是 Bool 類型:

map even [1,2,3]

這個是一個 Bool 類型的序列：

[False,True,False]

如果你看到你不理解的其他語法，不要驚慌；對語法的充分理解不是必要的。

函數式編程的誤區

我們先來解釋一下常見的誤區：

• 函數式編程不是命令行編程或者面向對象編程的競爭對手或對立面，這並不是非此即彼的。
• 函數式編程不僅僅用在學術領域。這是真的，在函數式編程的歷史中，如像 Haskell 和 OCaml 語言是最流行的研究語言。但是今天許多公司使用函數式編程來用於大型的系統、小型專業程序，以及種種不同場合。甚至還有一個[面向函數式編程的商業用戶33的年度會議；以前的那些程序讓我們了解了函數式編程在工業中的用途，以及誰在使用它。
• 函數式編程與 monad 無關 ，也不是任何其他特殊的抽象。在這篇文章裡面 monad 只是一個抽象的規定。有些是 monad，有些不是。
• 函數式編程不是特別難學的。某些語言可能與您已經知道的語法或求值語義不同，但這些差異是淺顯的。函數式編程中有大量的概念，但其他語言也是如此。

什麼是函數式編程?

核心是函數式編程是只使用純粹的數學函數編程，函數的結果僅取決於參數，而沒有副作用，就像 I/O 或者狀態轉換這樣。程序是通過 組合函數 function composition 的方法構建的：

(.) :: (b -> c) -> (a -> b) -> (a -> c)
(g . f) x = g (f x)

這個 中綴 infix 函數 (.) 表示的是二個函數組合成一個，將 g 作用到 f 上。我們將在下一個示例中看到它的使用。作為比較，我們看看在 Python 中同樣的函數：

def compose(g, f):
  return lambda x: g(f(x))

函數式編程的優點在於：由於函數是確定的、沒有副作用的，所以可以用結果替換函數，這種替代等價於使用使 等式推理 equational reasoning 。每個程序員都有使用自己代碼和別人代碼的理由，而等式推理就是解決這樣問題不錯的工具。來看一個示例。等你遇到這個問題：

map even . map (+1)

這段代碼是做什麼的？可以簡化嗎？通過等式推理，可以通過一系列替換來分析代碼：

map even . map (+1)
map (even . (+1))         -- 來自 'map' 的定義
map (x -> even (x + 1))  -- lambda 抽象
map odd                   -- 來自 'even' 的定義

我們可以使用等式推理來理解程序並優化可讀性。Haskell 編譯器使用等式推理進行多種程序優化。沒有純函數，等式推理是不可能的，或者需要程序員付出更多的努力。

函數式編程語言

你需要一種編程語言來做函數式編程嗎？

在沒有 高階函數 higher-order function （傳遞函數作為參數和返回函數的能力）、lambdas （匿名函數）和 泛型 generics 的語言中進行有意義的函數式編程是困難的。 大多數現代語言都有這些，但在不同語言中支持函數式編程方面存在差異。 具有最佳支持的語言稱為 函數式編程語言 functional programming language 。 這些包括靜態類型的 Haskell、OCaml、F# 和 Scala ，以及動態類型的 Erlang 和 Clojure。

即使是在函數式語言里，可以在多大程度上利用函數編程有很大差異。有一個 類型系統 type system 會有很大的幫助，特別是它支持 類型推斷 type inference 的話（這樣你就不用總是必須鍵入類型）。這篇文章中沒有詳細介紹這部分，但足以說明，並非所有的類型系統都是平等的。

與所有語言一樣，不同的函數的語言強調不同的概念、技術或用例。選擇語言時，考慮它支持函數式編程的程度以及是否適合您的用例很重要。如果您使用某些非 FP 語言，你仍然會受益於在該語言支持的範圍內的函數式編程。

不要打開陷阱之門

回想一下，函數的結果只取決於它的輸入。但是，幾乎所有的編程語言都有破壞這一原則的「功能」。空值、 實例類型 type case （instanceof）、類型轉換、異常、 邊際效用 side-effect ，以及無盡循環的可能性都是陷阱，它打破等式推理，並削弱程序員對程序行為正確性的理解能力。（所有語言裡面，沒有任何陷阱的語言包括 Agda、Idris 和 Coq。）

幸運的是，作為程序員，我們可以選擇避免這些陷阱，如果我們受到嚴格的規範，我們可以假裝陷阱不存在。 這個方法叫做 輕率推理 fast and loose reasoning 。它不需要任何條件，幾乎任何程序都可以在不使用陷阱的情況下進行編寫，並且通過避免這些可以而獲得等式推理、可組合性和可重用性。

讓我們詳細討論一下。 這個陷阱破壞了等式推理，因為異常終止的可能性沒有反映在類型中。（你可以慶幸文檔中甚至沒有提到能拋出的異常）。但是沒有理由我們沒有一個可以包含所有故障模式的返回類型。

避開陷阱是語言特徵中出現很大差異的領域。為避免例外， 代數數據類型 algebraic data type 可用於模型錯誤的條件下，就像：

-- new data type for results of computations that can fail
--
data Result e a = Error e | Success a

-- new data type for three kinds of arithmetic errors
--
data ArithError = DivByZero | Overflow | Underflow

-- integer division, accounting for divide-by-zero
--
safeDiv :: Int -> Int -> Result ArithError Int
safeDiv x y =
  if y == 0
    then Error DivByZero
    else Success (div x y)

在這個例子中的權衡你現在必須使用 Result ArithError Int 類型，而不是以前的 Int 類型，但這也是解決這個問題的一種方式。你不再需要處理異常，而能夠使用輕率推理 ，總體來說這是一個勝利。

自由定理

大多數現代靜態類型語言具有 范型 generics （也稱為 參數多態性 parametric polymorphism ），其中函數是通過一個或多個抽象類型定義的。 例如，看看這個 List（序列）函數:

f :: [a] -> [a]
f = ...

Java 中的相同函數如下所示：

static <A> List<A> f(List<A> xs) { ... }

該編譯的程序證明了這個函數適用於類型 a 的任意選擇。考慮到這一點，採用輕率推理的方法，你能夠弄清楚該函數的作用嗎？知道類型有什麼幫助？

在這種情況下，該類型並不能告訴我們函數的功能（它可以逆轉序列、刪除第一個元素，或許多其它的操作），但它確實告訴了我們很多信息。只是從該類型，我們可以推演出該函數的定理：

• 定理 1 ：輸出中的每個元素也出現於輸入中；不可能在輸入的序列 a 中添加值，因為你不知道 a 是什麼，也不知道怎麼構造一個。
• 定理 2 ：如果你映射某個函數到列表上，然後對其應用 f，其等同於對映射應用 f。

定理 1 幫助我們了解代碼的作用，定理 2 對於程序優化提供了幫助。我們從類型中學到了這一切！其結果，即從類型中獲取有用的定理的能力，稱之為 參數化 parametricity 。因此，類型是函數行為的部分（有時是完整的）規範，也是一種機器檢查機制。

現在你可以利用參數化了。你可以從 map 和 (.) 的類型或者下面的這些函數中發現什麼呢？

• foo :: a -> (a, a)
• bar :: a -> a -> a
• baz :: b -> a -> a

學習功能編程的資源

也許你已經相信函數式編程是編寫軟體不錯的方式，你想知道如何開始？有幾種學習功能編程的方法；這裡有一些我推薦（我承認，我對 Haskell 偏愛）：

• UPenn 的 CIS 194: 介紹 Haskell 是函數式編程概念和 Haskell 實際開發的不錯選擇。有課程材料，但是沒有講座（您可以用幾年前 Brisbane 函數式編程小組的 CIS 194 系列講座。
• 不錯的入門書籍有 《Scala 的函數式編程》 、 《Haskell 函數式編程思想》 , 和 《Haskell 編程原理》。
• Data61 FP 課程 （即 NICTA 課程）通過 類型驅動開發 type-driven development 來教授基礎的抽象概念和數據結構。這是十分困難，但收穫也是豐富的，其起源於培訓會，如果你有一名願意引導你函數式編程的程序員，你可以嘗試。
• 在你的工作學習中使用函數式編程書寫代碼，寫一些純函數（避免不確定性和異常的出現），使用高階函數和遞歸而不是循環，利用參數化來提高可讀性和重用性。許多人從體驗和實驗各種語言的美妙之處，開始走上了函數式編程之旅。
• 加入到你的地區中的一些函數式編程小組或者學習小組中，或者創建一個，也可以是參加一些函數式編程的會議（新的會議總是不斷的出現）。

總結

在本文中，我討論了函數式編程是什麼以及不是什麼，並了解到了函數式編程的優勢，包括等式推理和參數化。我們了解到在大多數編程語言中都有一些函數式編程功能，但是語言的選擇會影響受益的程度，而 Haskell 是函數式編程中語言最受歡迎的語言。我也推薦了一些學習函數式編程的資源。

函數式編程是一個豐富的領域，還有許多更深入（更神秘）的主題正在等待探索。我沒有提到那些具有實際意義的事情，比如：

• lenses 和 prisms （是一流的設置和獲取值的方式；非常適合使用嵌套數據）；
• 定理證明（當你可以證明你的代碼正確時，為什麼還要測試你的代碼？）；
• 延遲評估（讓您處理潛在的無數的數據結構）；
• 分類理論（函數式編程中許多美麗實用的抽象的起源）；

我希望你喜歡這個函數式編程的介紹，並且啟發你走上這個有趣和實用的軟體開發之路。

本文根據 CC BY 4.0 許可證發布。

（題圖: opensource.com）

作者簡介：

紅帽軟體工程師。對函數式編程，分類理論，數學感興趣。Crazy about jalapeños.

via: https://opensource.com/article/17/4/introduction-functional-programming

作者：Fraser Tweedale 譯者：MonkeyDEcho 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive