函數式程式設計初探

誕生50多年之後，函數式程式設計（functional programming）開始獲得越來越多的關注。

不僅最古老的函數式語言Lisp重獲青春，而且新的函數式語言層出不窮，比如Erlang、clojure、Scala、F#等等。目前最當紅的Python、Ruby、Javascript，對函數式程式設計的支援都很強，就連老牌的面向對象的Java、面向過程的PHP，都忙不疊地加入對匿名函數的支援。越來越多的迹象表明，函數式程式設計已經不再是學術界的最愛，開始大踏步地在業界投入實用。

也許繼"面向對象程式設計"之後，"函數式程式設計"會成為下一個程式設計的主流範式（paradigm）。未來的程式員恐怕或多或少都必須懂一點。

但是，"函數式程式設計"看上去比較難，缺乏通俗的入門教程，各種介紹文章都充斥着數學符号和專用術語，讓人讀了如墜雲霧。就連最基本的問題"什麼是函數式程式設計"，網上都搜不到易懂的回答。

下面是我的"函數式程式設計"學習筆記，分享出來，與大家一起探讨。内容不涉及數學（我也不懂Lambda Calculus），也不涉及進階特性（比如lazy evaluation和currying），隻求盡量簡單通俗地整理和表達，我現在所了解的"函數式程式設計"以及它的意義。

我主要參考了Slava Akhmechet的"Functional Programming For The Rest of Us"。

一、定義

簡單說，"函數式程式設計"是一種"程式設計範式"（programming paradigm），也就是如何編寫程式的方法論。

它屬于"結構化程式設計"的一種，主要思想是把運算過程盡量寫成一系列嵌套的函數調用。舉例來說，現在有這樣一個數學表達式：

　　(1 + 2) * 3 - 4

傳統的過程式程式設計，可能這樣寫：

　　var a = 1 + 2;

　　var b = a * 3;

　　var c = b - 4;

函數式程式設計要求使用函數，我們可以把運算過程定義為不同的函數，然後寫成下面這樣：

　　var result = subtract(multiply(add(1,2), 3), 4);

這就是函數式程式設計。

二、特點

函數式程式設計具有五個鮮明的特點。

1. 函數是"第一等公民"

所謂"第一等公民"（first class），指的是函數與其他資料類型一樣，處于平等地位，可以指派給其他變量，也可以作為參數，傳入另一個函數，或者作為别的函數的傳回值。

舉例來說，下面代碼中的print變量就是一個函數，可以作為另一個函數的參數。

　　var print = function(i){ console.log(i);};

　　[1,2,3].forEach(print);

2. 隻用"表達式"，不用"語句"

"表達式"（expression）是一個單純的運算過程，總是有傳回值；"語句"（statement）是執行某種操作，沒有傳回值。函數式程式設計要求，隻使用表達式，不使用語句。也就是說，每一步都是單純的運算，而且都有傳回值。

原因是函數式程式設計的開發動機，一開始就是為了處理運算（computation），不考慮系統的讀寫（I/O）。"語句"屬于對系統的讀寫操作，是以就被排斥在外。

當然，實際應用中，不做I/O是不可能的。是以，程式設計過程中，函數式程式設計隻要求把I/O限制到最小，不要有不必要的讀寫行為，保持計算過程的單純性。

3. 沒有"副作用"

所謂"副作用"（side effect），指的是函數内部與外部互動（最典型的情況，就是修改全局變量的值），産生運算以外的其他結果。

函數式程式設計強調沒有"副作用"，意味着函數要保持獨立，所有功能就是傳回一個新的值，沒有其他行為，尤其是不得修改外部變量的值。

4. 不修改狀态

上一點已經提到，函數式程式設計隻是傳回新的值，不修改系統變量。是以，不修改變量，也是它的一個重要特點。

在其他類型的語言中，變量往往用來儲存"狀态"（state）。不修改變量，意味着狀态不能儲存在變量中。函數式程式設計使用參數儲存狀态，最好的例子就是遞歸。下面的代碼是一個将字元串逆序排列的函數，它示範了不同的參數如何決定了運算所處的"狀态"。

　　function reverse(string) {

　　　　if(string.length == 0) {

　　　　　　return string;

　　　　} else {

　　　　　　return reverse(string.substring(1, string.length)) + string.substring(0, 1);

　　　　}

　　}

由于使用了遞歸，函數式語言的運作速度比較慢，這是它長期不能在業界推廣的主要原因。

5. 引用透明

引用透明（Referential transparency），指的是函數的運作不依賴于外部變量或"狀态"，隻依賴于輸入的參數，任何時候隻要參數相同，引用函數所得到的傳回值總是相同的。

有了前面的第三點和第四點，這點是很顯然的。其他類型的語言，函數的傳回值往往與系統狀态有關，不同的狀态之下，傳回值是不一樣的。這就叫"引用不透明"，很不利于觀察和了解程式的行為。

三、意義

函數式程式設計到底有什麼好處，為什麼會變得越來越流行？

1. 代碼簡潔，開發快速

函數式程式設計大量使用函數，減少了代碼的重複，是以程式比較短，開發速度較快。

Paul Graham在《黑客與畫家》一書中寫道：同樣功能的程式，極端情況下，Lisp代碼的長度可能是C代碼的二十分之一。

如果程式員每天所寫的代碼行數基本相同，這就意味着，"C語言需要一年時間完成開發某個功能，Lisp語言隻需要不到三星期。反過來說，如果某個新功能，Lisp語言完成開發需要三個月，C語言需要寫五年。"當然，這樣的對比故意誇大了差異，但是"在一個高度競争的市場中，即使開發速度隻相差兩三倍，也足以使得你永遠處在落後的位置。"

2. 接近自然語言，易于了解

函數式程式設計的自由度很高，可以寫出很接近自然語言的代碼。

前文曾經将表達式(1 + 2) * 3 - 4，寫成函數式語言：

　　subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)

對它進行變形，不難得到另一種寫法：

　　add(1,2).multiply(3).subtract(4)

這基本就是自然語言的表達了。再看下面的代碼，大家應該一眼就能明白它的意思吧：

　　merge([1,2],[3,4]).sort().search("2")

是以，函數式程式設計的代碼更容易了解。

3. 更友善的代碼管理

函數式程式設計不依賴、也不會改變外界的狀态，隻要給定輸入參數，傳回的結果必定相同。是以，每一個函數都可以被看做獨立單元，很有利于進行單元測試（unit testing）和除錯（debugging），以及子產品化組合。

4. 易于"并發程式設計"

函數式程式設計不需要考慮"死鎖"（deadlock），因為它不修改變量，是以根本不存在"鎖"線程的問題。不必擔心一個線程的資料，被另一個線程修改，是以可以很放心地把工作分攤到多個線程，部署"并發程式設計"（concurrency）。

請看下面的代碼：

　　var s1 = Op1();

　　var s2 = Op2();

　　var s3 = concat(s1, s2);

由于s1和s2互不幹擾，不會修改變量，誰先執行是無所謂的，是以可以放心地增加線程，把它們配置設定在兩個線程上完成。其他類型的語言就做不到這一點，因為s1可能會修改系統狀态，而s2可能會用到這些狀态，是以必須保證s2在s1之後運作，自然也就不能部署到其他線程上了。

多核CPU是将來的潮流，是以函數式程式設計的這個特性非常重要。

5. 代碼的熱更新

函數式程式設計沒有副作用，隻要保證接口不變，内部實作是外部無關的。是以，可以在運作狀态下直接更新代碼，不需要重新開機，也不需要停機。Erlang語言早就證明了這一點，它是瑞典愛立信公司為了管理電話系統而開發的，電話系統的更新當然是不能停機的。

（完）

------------------越是喧嚣的世界，越需要甯靜的思考------------------

合抱之木，生于毫末；九層之台，起于壘土；千裡之行，始于足下。

積土成山，風雨興焉；積水成淵，蛟龍生焉；積善成德，而神明自得，聖心備焉。故不積跬步，無以至千裡；不積小流，無以成江海。骐骥一躍，不能十步；驽馬十駕，功在不舍。锲而舍之，朽木不折；锲而不舍，金石可镂。蚓無爪牙之利，筋骨之強，上食埃土，下飲黃泉，用心一也。蟹六跪而二螯，非蛇鳝之穴無可寄托者，用心躁也。