函數式程式設計、面向對象程式設計、函數式程式設計

什麼是函數式程式設計？

函數式程式設計（Functional Programming）是一種程式設計範式，它強調将計算過程看作是函數之間的轉換而不是狀态的改變。它将函數視為一等公民，即函數可以像變量一樣傳遞和使用，是以，函數可以作為參數傳遞給其他函數或作為傳回值傳回。

函數式程式設計的主要特點包括以下幾個方面：

1.函數是一等公民：函數可以作為參數傳遞給其他函數或作為傳回值傳回。

2.純函數：函數的輸出僅由輸入決定，不會對外部狀态産生影響。

3.沒有副作用：函數不會修改程式狀态或全局變量，隻會傳回新的值。

4.高階函數：函數可以接受其他函數作為參數，也可以傳回一個函數。

函數式程式設計強調資料不可變性，即資料一旦建立就不能被修改。是以，函數式程式設計通常使用不可變資料結構，例如清單、字典、集合等。函數式程式設計還鼓勵使用遞歸而不是循環，因為遞歸更符合函數式程式設計的思想。

函數式程式設計可以幫助開發者寫出簡潔、子產品化、易于測試和維護的代碼。常見的函數式程式設計語言包括Haskell、Lisp、Clojure、Scala和F#等。

現代很多語言，如js、python都可以将函數作為參數傳遞，這是否就是函數式程式設計？

将函數作為參數傳遞是函數式程式設計的一個特征，但它并不意味着該語言就是函數式程式設計語言。函數式程式設計是一種程式設計範式，它關注的是如何設計代碼、如何組織資料、如何進行計算等方面，而不僅僅是一種語言的特性。

當一個語言支援函數作為一等公民，并且提供了不可變資料類型、高階函數、函數組合等函數式程式設計的特性，我們可以說這個語言具備了函數式程式設計的能力。例如，Haskell、Lisp、Clojure等語言是典型的函數式程式設計語言，它們天生就支援函數式程式設計的特性。而JavaScript和Python等語言雖然不是純粹的函數式程式設計語言，但它們也具有一定的函數式程式設計能力，可以使用函數式程式設計的一些技巧來編寫更加健壯和易于維護的代碼。

是以，将函數作為參數傳遞隻是函數式程式設計的一部分特性，而要真正了解函數式程式設計，需要深入了解函數式程式設計的概念和思想，掌握如何使用函數式程式設計技術來解決問題。

簡單的案例

假設我們需要編寫一個程式，對一個整數數組進行過濾，隻保留其中大于等于 10 的元素，并對保留的元素進行求和。下面我們分别使用函數式程式設計和面向對象程式設計來解決這個問題。

使用函數式程式設計的方式，我們可以定義一個過濾函數和一個求和函數，将它們組合起來進行計算：

def filter_nums(nums):
    return filter(lambda x: x >= 10, nums)

def sum_nums(nums):
    return sum(nums)

nums = [5, 15, 20, 3, 8, 12]

result = sum_nums(filter_nums(nums))

print(result) # 輸出 47

           

使用面向對象程式設計的方式，我們可以定義一個名為 NumArray 的類，它包含一個名為 filter_nums 的方法和一個名為 sum_nums 的方法，分别實作過濾和求和的功能：

class NumArray:
    def __init__(self, nums):
        self.nums = nums

    def filter_nums(self):
        return list(filter(lambda x: x >= 10, self.nums))

    def sum_nums(self, nums):
        return sum(nums)

nums = [5, 15, 20, 3, 8, 12]

arr = NumArray(nums)

result = arr.sum_nums(arr.filter_nums())

print(result) # 輸出 47

           

可以看出，使用函數式程式設計的方式，我們定義了兩個純函數，并将它們組合起來進行計算，代碼簡潔明了。而使用面向對象程式設計的方式，我們需要定義一個類和多個方法，并将數組作為類的一個成員變量，稍微有些複雜。

函數式程式設計與過程式程式設計的差別

這裡簡單說一下，過程式程式設計就是使用函數和全局變量的程式設計方法，它和函數式程式設計的主要差別在于以下幾點：

1.狀态和副作用的處理方式不同：過程式程式設計中，通常會有多個全局變量，函數會修改這些全局變量的值，進而實作狀态的更新和副作用的産生。而函數式程式設計中，函數通常不會修改傳入的參數和外部狀态，它們隻是根據輸入計算輸出，避免了副作用。

2.資料結構的處理方式不同：過程式程式設計中，通常會使用諸如數組和連結清單等資料結構，這些資料結構可以在程式的執行過程中被修改和操作。而函數式程式設計中，通常會使用不可變的資料結構，例如清單和元組，這些資料結構在建立之後不可變，任何修改操作都會傳回一個新的資料結構。

3.控制流的處理方式不同：過程式程式設計中，通常會使用循環、條件分支等控制流結構，這些結構會改變程式的執行順序和流程。而函數式程式設計中，通常會使用遞歸和高階函數等技術來控制程式的執行流程。

4.函數的作用不同：過程式程式設計中，函數通常被視為一系列指令的集合，用來完成某個具體的任務。而函數式程式設計中，函數通常被視為一種映射關系，用來将輸入映射為輸出，函數的作用是描述輸入和輸出之間的關系。

函數式程式設計很大的優勢在于處理遞歸問題

考慮如下的問題：假設有一個二叉樹，每個節點都包含一個整數值和兩個子節點（左子樹和右子樹），請編寫一個函數，計算這個二叉樹中所有節點的整數值的和。

在函數式程式設計中，我們可以使用遞歸來解決這個問題。具體地，我們可以定義一個函數 sumTree，這個函數接受一個二叉樹節點作為參數，計算這個節點及其子節點的整數值的和，然後遞歸地調用 sumTree 函數來計算左子樹和右子樹的值。這個函數的實作如下：

def sumTree(node):
    if node is None:
        return 0
    else:
        return node.value + sumTree(node.left) + sumTree(node.right)
           

在上面的實作中，我們使用了遞歸來處理二叉樹中的節點。這個實作非常簡單，而且易于了解和調試。

相比之下，在面向對象程式設計中，處理這個問題可能會更加困難。在面向對象程式設計中，我們通常會使用一個 TreeNode 類來表示二叉樹中的節點，這個類包含一個 value 屬性和兩個子節點的引用。然而，我們很難直接在這個類中定義一個方法來計算整個二叉樹中所有節點的整數值的和。是以，在面向對象程式設計中，我們可能需要定義一個額外的 Tree 類，這個類包含一個根節點的引用，并且定義一個方法來計算整個二叉樹中所有節點的整數值的和。這個實作可能會比較複雜，并且需要引入一些額外的概念和技術。

是以，這個例子說明了在處理遞歸問題時，函數式程式設計可以比面向對象程式設計更加簡潔和自然。

函數式程式設計和面向對象程式設計常用的具體領域

函數式程式設計和面向對象程式設計各有其适用的領域，以下是一些常見的應用場景：

函數式程式設計适合的領域：

• 處理大規模資料集的資料管道（例如 MapReduce 算法、Spark等分布式計算架構）。
• 并行和異步處理（例如事件驅動的系統、多線程程式設計）。
• 狀态不可變的問題領域，比如密碼學、金融和醫療等。
• 資料庫處理和查詢（例如 NoSQL 資料庫和函數式程式設計語言的查詢模型）。
• 數學和科學計算領域（例如數值分析、實體和統計學）。

面向對象程式設計适合的領域：

• Web 開發（例如 MVC 架構、ORM、路由器等）。
• GUI（圖形使用者界面）開發（例如Swing、Qt等架構）。
• 遊戲和娛樂開發（例如 Unity、虛幻引擎等）。
• 機器學習和資料挖掘（例如機器學習庫和資料可視化工具）。
• 企業級應用開發（例如OA、ERP等）

函數式程式設計和面向對象程式設計是兩種不同的程式設計範式，它們的差異主要展現在以下幾個方面：

1.資料和行為的處理方式：在面向對象程式設計中，資料和行為通常是緊密耦合的，一個對象包含一些屬性和方法來操作這些屬性。在函數式程式設計中，資料和行為通常是分離的，函數隻處理輸入資料，而不改變它們的狀态。

2.程式的設計群組織方式：在面向對象程式設計中，程式通常是由一些對象組成，每個對象負責處理一些任務。在函數式程式設計中，程式通常是由一些函數組成，每個函數負責處理一個特定的問題。

3.程式的可讀性和可維護性：函數式程式設計通常使用不可變的資料結構，這可以使程式更加可讀和可維護。同時，函數式程式設計也通常使用純函數，這可以使程式更加可靠和可測試。

在實際開發中，函數式程式設計和面向對象程式設計都有各自的優缺點，程式員需要根據具體的需求和場景選擇适合的程式設計範式。例如，在處理遞歸問題時，函數式程式設計可以比面向對象程式設計更加簡潔和自然；而在處理大規模、複雜的系統時，面向對象程式設計可以提供更好的組織和抽象能力。