【转】函数式编程（续）

之前已经有一篇文章是讲了函数式编程

http://www.cnblogs.com/charlesblc/p/6110484.html

 

今天又翻到了ruanyifeng的文章

http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/04/functional_programming.html

正好复习一下。

 

诞生50多年之后，函数式编程（functional programming）开始获得越来越多的关注。

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。

 

注：Java中的匿名函数是 Java8开始支持的。指的就是Lambda表达式，又称为闭包或匿名函数。

在C语言中的概念类似于一个函数指针，这个指针可以作为一个参数传递到另外一个函数中。

由于Java是相对较为面向对象的语言，一个Java对象中可以包含属性和方法（函数），方法（函数）不能孤立于对象单独存在。这样就产生了一个问题，有时候需要把一个方法（函数）作为参数传到另外一个方法中的时候（比如回调功能），就需要创建一个包含这个方法的接口，传递的时候传递这个接口的实现类，一般是用匿名内部类的方式来。

如下面代码，首先创建一个Runnable的接口，在构造Thread时，创建一个Runnable的匿名内部类作为参数：

new Thread(new Runnable() {  
    public void run() {  
            System.out.println("hello");  
        }  
}).start();  


类似这种情况的还有swing中button等控件的监听器，如下面代码所示，创建该接口的一个匿名内部类实例作为参数传递到button的addActionListener方法中。

public interface ActionListener {   
    void actionPerformed(ActionEvent e);  
}  
  
button.addActionListener(new ActionListener() {   
  public void actionPerformed(ActionEvent e) {   
    ui.dazzle(e.getModifiers());  
  }  
});  

这样的代码的缺点是有代码笨重，可读性差，不能引用外面的非final的变量等。lambda表达式就是为了解决这类问题而诞生的。

在介绍Java8中的Lambda表达式之前，首先介绍一个概念叫“函数式接口”（functional interfaces）。对于任意一个Java接口，如果接口中只定义了唯一一个方法，那么这个接口就称之为“函数式接口”。比如JDK中的ActionListener、Runnable、Comparator等接口。

 

先来看一下Java8中的lambda表达式的使用示例，创建一个线程：

new Thread(() -> {System.out.println("hello");}).start();    

可以看到这段代码比上面创建线程的代码精简了很多，也有很好的可读性。

     () -> {System.out.println("hello");}  就是传说中的lambda表达式，等同于上面的new Runnable(), lambda大体分为3部分：

     1.最前面的部分是一对括号，里面是参数，这里无参数，就是一对空括号

     2.中间的是 -> ，用来分割参数和body部分

     3.是body部分，可以是一个表达式或者一个语句块。如果是一个表达式，表达式的值会被作为返回值返回；如果是语句块，需要用return语句指定返回值。

如下面这个lambda表达式接受一个整形的参数a，返回a的平方

(int a) -> a^2   

等同于

(int a) -> {return a^2;}  

更多的例子：

(int x, int y) -> x + y  
  
() -> 42  
  
(String s) -> { System.out.println(s); }  

创建一个FileFilter，文件过滤器：
FileFilter java = (File f) -> f.getName().endsWith(".java")  

创建一个线程：
new Thread(() -> {  
  //do sth here...  
}).start()  

创建一个Callable：
Callable<String> c = () -> "done";  

创建一个String的比较器：
Comparator<String> c = (s1, s2) -> s1.compareToIgnoreCase(s2);

而且lambda表达式可以赋值给一个变量：
Comparator<String> c;  
c = (String s1, String s2) -> s1.compareToIgnoreCase(s2);  

还可以作为方法的返回值：
public Runnable toDoLater() {  
  return () -> {  
    System.out.println("later");  
  };  
}  

从上面可以看到，一个lambda表达式被作为一个接口类型对待，具体对应哪个接口，编译器会根据上下文环境推断出来，如下面的lambda表达式就表示一个ActionListener.

ActionListener l = (ActionEvent e) -> ui.dazzle(e.getModifiers());  

这有可能会造成一个表达式在不同的上下文中被作为不同的类型，如下面的这种情况，尽管两个表达式是相同的，上面的表达式被推断为Callable的类型，下面的会被推断为PrivilegedAction类型。

Callable<String> c = () -> "done";  
PrivilegedAction<String> a = () -> "done";  

那么编译器是根据哪些因为决定一个表达式的类型呢？

     如果一个表达式被推断为是T类型的，需要满足以下4个条件:

     1.T是函数式接口类型（只声明唯一一个方法）

     2.表达式和T中声明的方法的参数个数一致，参数类型也一致

     3.表达式和T中声明的方法的返回值类型一致

     4.表达式和T中声明的方法抛出的异常一致

有了这个准则，上面的疑问就迎刃而解了。（注：其实我觉得没有必要纠结表达式的类型）

以上参考：http://www.iteye.com/topic/1127931

 

以下，继续学习：http://www.ruanyifeng.com/blog/2012/04/functional_programming.html

 

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）。

上面文章主要参考了Slava Akhmechet的"Functional Programming For The Rest of Us"。

 

"函数式编程"是一种"编程范式"（programming paradigm），也就是如何编写程序的方法论。它属于"结构化编程"的一种，主要思想是把运算过程尽量写成一系列嵌套的函数调用。举例来说，现在有这样一个数学表达式：

(1 + 2) * 3 - 4


函数式编程要求使用函数，我们可以把运算过程定义为不同的函数，然后写成下面这样：
var result = subtract(multiply(add(1,2), 3), 4);

 

函数式编程具有五个鲜明的特点。

1. 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。

举例来说，下面代码中的print变量就是一个函数，可以作为另一个函数的参数。
　　var print = function(i){ console.log(i);};

　　[1,2,3].forEach(print);

 

2. 只用"表达式"，不用"语句"

"表达式"（expression）是一个单纯的运算过程，总是有返回值；"语句"（statement）是执行某种操作，没有返回值。函数式编程要求，只使用表达式，不使用语句。也就是说，每一步都是单纯的运算，而且都有返回值。

原因是函数式编程的开发动机，一开始就是为了处理运算（computation），不考虑系统的读写（I/O）。"语句"属于对系统的读写操作，所以就被排斥在外。

当然，实际应用中，不做I/O是不可能的。因此，编程过程中，函数式编程只要求把I/O限制到最小，不要有不必要的读写行为，保持计算过程的单纯性。

 

3. 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。

 

4. 不修改状态

上一点已经提到，函数式编程只是返回新的值，不修改系统变量。因此，不修改变量，也是它的一个重要特点。

在其他类型的语言中，变量往往用来保存"状态"（state）。不修改变量，意味着状态不能保存在变量中。函数式编程使用参数保存状态，最好的例子就是递归。下面的代码是一个将字符串逆序排列的函数，它演示了不同的参数如何决定了运算所处的"状态"。

function reverse(string) {
　　　　if(string.length == 0) {
　　　　　　return string;
　　　　} else {
　　　　　　return reverse(string.substring(1, string.length)) + string.substring(0, 1);
　　　　}
　　}


由于使用了递归，函数式语言的运行速度比较慢，这是它长期不能在业界推广的主要原因。

 

5. 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。

 

三、意义

函数式编程到底有什么好处，为什么会变得越来越流行？

 

1. 代码简洁，开发快速

函数式编程大量使用函数，减少了代码的重复，因此程序比较短，开发速度较快。

Paul Graham在《黑客与画家》一书中写道：同样功能的程序，极端情况下，Lisp代码的长度可能是C代码的二十分之一。

如果某个新功能，Lisp语言完成开发需要三个月，C语言需要写五年。"当然，这样的对比故意夸大了差异，但是"在一个高度竞争的市场中，即使开发速度只相差两三倍，也足以使得你永远处在落后的位置。"

 

2. 接近自然语言，易于理解

 

3. 更方便的代码管理

函数式编程不依赖、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。因此，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（unit testing）和除错（debugging），以及模块化组合。

 

4. 易于"并发编程"

函数式编程不需要考虑"死锁"（deadlock），因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改，所以可以很放心地把工作分摊到多个线程，部署"并发编程"（concurrency）。

多核CPU是将来的潮流，所以函数式编程的这个特性非常重要。

 

5. 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。所以，可以在运行状态下直接升级代码，不需要重启，也不需要停机。Erlang语言早就证明了这一点，它是瑞典爱立信公司为了管理电话系统而开发的，电话系统的升级当然是不能停机的。

 

（完）