用函数式编程,从0开发3D引擎和编辑器(二):函数式编程准备

大家好,本文介绍了本系列涉及到的函数式编程的主要知识点,为正式开发做好了准备。

函数式编程的优点

1.粒度小

相比面向对象编程以类为单位,函数式编程以函数为单位,粒度更小。

正所谓:

我只想要一个香蕉,而面向对象却给了我整个森林

2.性能好

大部分人认为函数式编程差,主要基于下面的理由(参考 JavaScript 函数式编程存在性能问题么?):
1)柯西化、函数组合等操作增加时间开销
2)map、reduce等操作,会进行多次遍历,增加时间开销
3)Immutable数据每次操作都会被拷贝为新的数据,增加时间和内存开销

而我说性能好,是指通过“Reason的编译优化+Immutable/Mutable结合使用+递归/迭代结合使用”,可以解决这些问题:
1)由于Bucklescript编译器在编译时的优化,柯西化等操作和Immutable数据被编译成了优化过的js代码,大幅减小了时间开销
2)由于Reason支持Mutable和for,while迭代操作,所以可以在性能热点使用它们,提高性能。

3.擅长处理数据,适合3D领域编程

通过高阶函数、柯西化、组合等工具,函数式编程可以像流水线一样对数据进行管道操作,非常方便。

3D程序有大量的数据要操作,从函数式编程的角度来看:

3D程序=数据+逻辑

因此,我们可以:
使用Immutable/Mutable、Data Oriented等思想和数据结构表达数据;
使用函数表达逻辑;
使用组合、柯西化等工具,把数据和逻辑关联起来。

更多讨论

FP之优点
函数式编程(Functional Programming)相比面向对象编程(Object-oriented Programming)有哪些优缺点?

本系列使用的函数式编程语言

我们使用Reason语言,它是从Ocaml而来的,属于非纯函数式编程语言。

而我们熟知的Haskell,属于纯函数式编程语言。

Reason学习文档

为什么不用纯函数式编程语言

1.更高的性能
Reason支持Mutable、迭代操作,提高了性能

2.更简单易用
1)允许非纯操作,所以不需要使用Haskell中的各种Monad
2)严格求值相对于惰性求值更简单。

搭建Reason开发环境

详见Reason的介绍和搭建Reason开发环境

本系列涉及的函数式编程知识点

数据

  • Immutable

介绍
创建不可变数据之后,对其任何的操作,都会返回一个拷贝后的新数据。

示例
Reason的变量默认为immutable:

let a = 1;

/* a为immutable */

Reason也有专门的不可变数据结构,如Tuple,List,Record。

这里以Record为例,它类似于Javascript中的Object:
首先定义Record的类型:

type person = {
  age: int,
  name: string
};

然后定义Record的值:

let me = {
  age: 5,
  name: "Big Reason"
};

使用这个Record,如修改"age"的值:

let newMe = {
    ...me,
    age: 10
};

Js.log(newMe === me); /* false */

newMe是从me拷贝而来,任何对newMe的修改,都不会影响me。

在Wonder中的应用

在编辑器中的应用
编辑器的所有数据都是Immutable的,这样的好处是:
1)不用关心数据之间的关联关系,因为每个数据都是独立的
2)不用担心状态被修改,减少了很多bug
3)实现Redo/Undo功能时非常简单,直接把Immutable的数据压入History的栈里即可,不用深拷贝/恢复数据。

在引擎中的应用
大部分函数的局部变量都是Immutable的(如使用tuple,record结构)。

相关资料
Reason->Let Binding
Reason->Record
facebook immutable.js 意义何在,使用场景?
Introduction to Immutable.js and Functional Programming Concepts

  • Mutable

介绍
对可变数据的任何操作,都会直接修改原数据。

示例
Reason通过"ref"关键字,标志变量为Mutable。

let foo = ref(5);

let five = foo^; 

foo := 6;   //foo===five===6

Reason也可以通过"mutable"关键字,标志Record的字段为Mutable。

type person = {
  name: string,
  mutable age: int
};
let baby = {name: "Baby Reason", age: 5};
baby.age = baby.age + 1; /* 修改原数据baby的age为6 */

在Wonder中的应用

因为操作Mutable数据不会造成拷贝,没有垃圾回收cg的开销,所以在性能热点处,常常使用Mutable数据。

相关资料
Reason->Mutable

函数

函数是第一公民,函数是数据。

相关资料:
如何理解在 JavaScript 中 "函数是第一等公民" 这句话?
Reason->Function

  • 纯函数

介绍

纯函数是这样一种函数,即相同的输入,永远会得到相同的输出,而且没有任何可观察的副作用。

示例

let a = 1;


/* func2是纯函数 */
let func2 = value => value;

/* func1是非纯函数,因为使用了外部变量"a" */
let func1 = () => a;

在Wonder中的应用

脚本的钩子函数(如init,update,dispose等函数)属于纯函数(但不能算严格的纯函数),这样是为了:
1)能够正确序列化
脚本会先序列化为字符串,保存在文件中(如编辑器导出的包中);
然后在导入该文件时(如编辑器导入包),将脚本字符串反序列化为函数(执行:eval('(' + funcStr + ')'))。如果脚本的钩子函数不是纯函数(如调用了外部变量),则会报错。

2)支持多线程
目前脚本是在主线程执行的,但因为它是纯函数,所以未来可以放在单独的脚本线程中执行,提高性能。

注意
虽然纯函数好处很多,但Wonder中大多数的函数都是非纯函数,这是因为:
1)为了性能
2)为了简单易用,所以允许副作用,很少使用容器

相关资料
第 3 章:纯函数的好处

  • 高阶函数

介绍
函数能够作为数据,成为高阶函数的参数或者返回值。

示例

let func1 = func => func(1);

let func2 = value => value * 2;

func1(func2);   /* func1是高阶函数,因为func2是func1的参数 */

在Wonder中的应用

多个函数中常常有一些共同的逻辑,需要消除重复,可以通过提出一个私有的高阶函数来解决。具体示例如下:
重构前:

let add1 = value => value + 2;

let add2 = value => value + 10;

let minus1 = value => value - 10;

let minus2 = value => value - 200;

let compute1 = value => value |> add1 |> minus1;

let compute2 = value => value |> add2 |> minus2;

/* compute1,compute2有重复逻辑 */

重构后:

...

let _compute = (value, (addFunc, minusFunc)) =>
  value |> addFunc |> minusFunc;

let compute1 = value => _compute(value, (add1, minus1));

let compute2 = value => _compute(value, (add2, minus2));

相关资料
理解 JavaScript 中的高阶函数

  • 柯西化

介绍

只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。
你可以一次性地调用 curry 函数,也可以每次只传一个参数分多次调用。

示例

let func1 = (value1, value2) => value1 + value2;

let func2 = func1(1);

func2(2);   /* 3 */

在Wonder中的应用

应用的地方太多了,此处省略。

相关资料
第 4 章: 柯里化(curry)
Currying

类型

相关资料
The "Understanding F# types" series

  • 基本类型

介绍
Reason是强类型语言,包含int、float、string等基本类型。

示例

type a = string;   /* 定义a为string类型 */

let str:a = "zzz";   /* 变量str为a类型 */

在Wonder中的应用

类型在wonder中应用广泛,包括以下的使用场景:
1)类型驱动设计
2)领域建模
3)枚举

相关资料

Reason->Type
Algebraic type sizes and domain modelling

  • Discriminated Union Type

介绍
类型可以接受参数,还可以组合其它的类型。

示例

type result('a, 'b) =
  | Ok('a)
  | Error('b);

type myPayload = {data: string};

let payloadResults: list(result(myPayload, string)) = [
  Ok({data: "hi"}),
  Ok({data: "bye"}),
  Error("Something wrong happened!")
];

在Wonder中的应用

1)作为容器的实现
2)是实现本文后面的Recursive Type的基础

相关资料
Reason->Type Argument
Reason->Null, Undefined & Option
Discriminated Unions

  • 抽象类型

介绍
有时候我们想定义一个类型,它不是某一个具体的类型,可以将其定义为抽象类型。

示例

type value;

type a = value; /* a为value类型 */

在Wonder中的应用

包括以下的使用案例:
1)在封装WebGL api的FFI中(什么是FFI?),把WebGL的上下文定义为抽象类型。

示例代码如下:

/* FFI */


/* 抽象类型 */
type webgl1Context;

[@bs.send]
external getWebgl1Context : ('canvas, [@bs.as "webgl"] _) => webgl1Context = "getContext";

[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external viewport : (int, int, int, int) => unit = "";




/* client code */

/* canvasDom是canvas的dom,此处省略了获取它的代码 */
/* gl是webgl1Context类型 */
/* 编译后的js代码为:var gl = canvasDom.getContext("webgl"); */
let gl = getWebgl1Context(canvasDom);   

/* 编译后的js代码为:gl.viewport(0,0,100,100); */
gl |> viewport(0,0,100,100);

2)脚本->属性->value可以为int或者float类型,因此将value设为抽象类型,并且定义抽象类型和int、float类型之间的转换FFI。

示例代码如下:


type scriptAttributeType =
  | Int
  | Float;


/* 抽象类型 */
type scriptAttributeValue;

type scriptAttributeField = {
  type_: scriptAttributeType,
  value: scriptAttributeValue
};

/* 定义scriptAttributeValue和int,float类型相互转换的FFI */

external intToScriptAttributeValue: int => scriptAttributeValue = "%identity";

external floatToScriptAttributeValue: float => scriptAttributeValue =
  "%identity";

external scriptAttributeValueToInt: scriptAttributeValue => int = "%identity";

external scriptAttributeValueToFloat: scriptAttributeValue => float =
  "%identity";
  
  
/* client code */

/* 创建scriptAttributeField,设置value的数据(int类型) */

let scriptAttributeField = {
    type_: Int,
    value:intToScriptAttributeValue(10) 
};



/* 修改scriptAttributeField->value */

let newScriptAttributeField = {
    ...scriptAttributeField,
    value: (scriptAttributeValueToInt(scriptAttributeField.value) + 1) |> intToScriptAttributeValue
};

相关资料
抽象类型(Abstract Types)

  • Recursive Type

介绍
从类型定义上看,可以看成是Discriminated Union Type,只是其中至少有一个union type为自身类型,即递归地指向自己。

示例
还是看代码好理解点,具体示例如下:

type nodeId = int;

/* tree是Recursive Type,它的文件夹节点包含了子节点,而子节点的类型为自身 */
type tree =
  | LeafNode(nodeId)
  | FolderNode(
      nodeId,
      array(tree),
    );

在Wonder中的应用

在编辑器中的应用

Recursive Type常用在树中,如编辑器的资产树的类型就是Recursive Type。

相关资料
The "Recursive types and folds" series
Map as a Recursion Scheme in OCaml

过程

  • 组合

介绍
多个函数可以组合起来,使得前一个函数的返回值是后一个函数的输入,从而对数据进行管道处理。

示例

let func1 = value => value1 + 1;

let func2 = value => value1 + 2;

10 |> func1 |> func2;   /* 13 */

在Wonder中的应用

在引擎中的应用

组合可以应用在多个层面,如函数层面和job层面。

job = 多个函数的组合

我们来看下job组合的应用示例:

从时间序列上来看:

引擎=初始化+主循环

而初始化和每一次循环,都是多个job组合而成的管道操作:

初始化 = create_canvas |> create_gl |> ...


每一次循环 = tick |> dispose |> reallocate_cpu_memory |> update_transform |> ...

相关资料

第 5 章: 代码组合(compose)

  • 递归

介绍

遍历操作可以分成两类:
迭代
递归

递归就是指函数调用自己,满足终止条件时结束。如深度优先遍历是递归操作,而广度优先遍历是迭代操作。

注意:
尽量写成尾递归,这样Reason会将其编译成迭代操作。

示例

let rec func1 = (value, result) => {
    value > 3 ? result : func1(value + 1, result + value);
};

func1(1, 0);   /* 0+1+2+3=6; */

在Wonder中的应用

几乎所有的遍历都是尾递归,只有在少数使用Mutable和少数性能热点的地方,使用迭代操作(使用for或while命令)。

相关资料
什么是尾递归?
Reason->Recursive Functions

  • 模式匹配

介绍
使用switch结构代替if else处理程序分支。

示例

let func1 = value => {
    switch(value){
        | 0 => 10 
        | _ => 100
    }
};

func1(0);   /* 10 */
func1(2);   /* 100 */

在Wonder中的应用

主要用在下面三种场景:

1)取出容器的值

type a = 
    | A(int)
    | B(string);
    
switch(a){
    | A(value) => value
    | B(value) => value
};

2)处理Option

let a = Some(1);

switch(a){
    | None => ...
    | Some(value) => ...
}

3)处理枚举类型

type a = 
    | A
    | B;
    
switch(a){
    | A => ...
    | B => ...
}

相关资料
Reason->Pattern Matching!
模式匹配

异步

  • 函数反应式编程

介绍
处理异步,主要有以下的方法:
1)回调函数
缺点:过多的回调导致嵌套层次太深,容易陷入回调地狱,不易维护。
2)Promise
3)await,aync
4)使用函数反应式编程的流
优点:能够使用组合,像管道处理一样处理各种流,符合函数式编程的思维。

Wonder使用流来处理异步,其中也用到了Promise,不过都被封装成了流。

示例
使用most库实现FRP,因为它的性能比Rxjs更好。

/* 
输出:
next:2
next:4
next:6
complete
*/
let subscription =
  Most.from([|1, 2, 3|])
  |> Most.map(value => value * 2)
  |> Most.subscribe({
       "next": value => Js.log2("next:", value),
       "error": e => Js.log2("error:", e##message),
       "complete": () => Js.log("complete"),
     });

在Wonder中的应用

凡是异步操作,如事件处理、多线程等,都用流来处理。

相关资料
你一直都错过的反应型编程
函数式反应型编程 (FRP) —— 实时互动应用开发的新思路
函数式响应型编程(Functional Reactive Programming)会在什么问题上有优势?

容器

  • 容器

介绍

为了领域建模,或者为了保证纯函数而隔离副作用,需要把值封装到容器中。外界只能操作容器,不直接操作值。

示例

1)领域建模示例

比如我们要开发一个图书管理系统,需要对“书”进行建模。
书有书号、页数这两个数据,有小说书、技术书两种类型。
建模为:

type bookId = int;

type pageNum = int;

type book = 
    | Novel(bookId, pageNum)
    | Technology(bookId, pageNum);
    

现在我们创建一本小说,一本技术书,以及它们的集合:

let novel = Novel(0, 100);

let technology = Technology(1, 200);

let bookList = [
    novel,
    technology
];

对“书”这个容器进行操作:

let getPage = (book) => 
switch(book){
    | Novel(_, page) => page
    | Technology(_, page) => page
};


let setPage = (page, book) => 
switch(book){
    | Novel(bookId, _) => Novel(bookId, page)
    | Technology(bookId, _) => Technology(bookId, page)
};

/* client code */

/* 将技术书的页数设置为集合中所有书的总页数 */
let newTechnology =
bookList
|> List.fold_left((totalPage, book) => totalPage + getPage(book), 0)
|> setPage(_, technology);

在Wonder中的应用

包含以下使用场景:
1)领域建模
2)错误处理
3)处理空值
使用Option包装空值。

相关资料

Railway Oriented Programming
The "Map and Bind and Apply, Oh my!" series
强大的容器
Monad
Applicative Functor

多态

  • GADT

介绍
全称为Generalized algebraic data type,可以用来实现函数参数多态。

示例
重构前,需要对应每种类型,定义一个isXXXEqual函数:

let isIntEqual = (source: int, target: int) => source == target;

let isStringEqual = (source: string, target: string) => source == target;
  
  
isIntEqual(1, 1); /*true*/

isStringEqual("aaa", "aaa"); /*true*/

使用GADT重构后,对应多个类型,只有一个isEqual函数:

type isEqual(_) =
  | Int: isEqual(int)
  | Float: isEqual(float)
  | String: isEqual(string);

let isEqual = (type g, kind: isEqual(g), source: g, target: g) =>
  switch (kind) {
  | _ => source == target
  };

isEqual(Int, 1, 1); /*true*/

isEqual(String, "aaa", "aaa"); /*true*/

在Wonder中的应用

1)契约检查
如需要判断两个变量是否相等,则使用GADT,定义一个assertEqual方法替换assertStringEqual,assertIntEqual等方法。

相关资料
Why GADTs matter for performance(需要翻墙)
维基百科->Generalized algebraic data type

  • Module Functor

介绍

module可以作为参数,传递给functor,返回一个新的module。

类似于面向对象的“继承”,可以使用函子functor,在基module上扩展出新的module。

示例

module type Comparable = {
  type t;

  let equal: (t, t) => bool;
};

module MakeAdd = (Item: Comparable) => {
  let add = (x: Item.t, newItem: Item.t, list: list(Item.t)) =>
    Item.equal(x, newItem) ? list : [newItem, ...list];
};

module A = {
  type t = int;
  let equal = (x1, x2) => x1 == x2;
};

/* module B有add函数,该方法调用了A.equal函数 */
module B = MakeAdd(A);

let list = B.add(1, 2, []);    /* list == [2] */
let list = list |> B.add(1, 1);    /* list == [2] */

在Wonder中的应用

在编辑器中的应用

1)错误处理
错误被包装为容器Result;
由于容器Result中的值的类型不一样,所以将Result分成RelationResult、SameDataResult。

这两类Result有共同的模式,因此可以提出基module:Result,然后增加MakeRelationResult、MakeSameDataResult这两个module functor。它们将Result作为参数,返回新的module:RelationResult、SameDataResult,从而消除重复。

相关资料
Reason->Module Functions

函数式编程学习资料

JS 函数式编程指南
这本书作为我学习函数式编程的第一本书,非常容易上手,作者讲得很简单易懂,推荐~

Awesome FP JS
收集了函数式编程相关的资料。

F# for fun and profit
这个博客讲了很多F#相关的函数式编程的知识,非常推荐!
如果你正在使用Reason或者Ocaml或者F#语言,建议到该博客中学习!

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posted @ 2019-05-04 08:09 Wonder-YYC 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏