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函数式编程初识

一.简介

他是和面向对象编程平起平坐的一种编程范式。

函数式编程就是一种抽象程度很高的编程范式，纯粹的函数式编程语言编写的函数没有变量，因此，任意一个函数，只要输入是确定的，输出就是确定的，这种纯函数我们称之为没有副作用。而允许使用变量的程序设计语言，由于函数内部的变量状态不确定，同样的输入，可能得到不同的输出，因此，这种函数是有副作用的。

函数式编程的一个特点就是，允许把函数本身作为参数传入另一个函数，还允许返回一个函数！

二.定义

简单说，"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
传统的过程式编程，可能这样写：
　　var a = 1 + 2;
　　var b = a * 3;
　　var c = b - 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);
这就是函数式编程。

三.特点

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);

什么是一等公民

程序世界里，有且不仅有这么几种权力。创建，赋值，传递。

这些权力，object 都具备，function 都不具备。对象可以通过参数传递到另一个对象里，从而两个对象可以互相通信。函数却不行，两个函数想要通信，必须以对象为介质。

以 Java 举个例子：函数a，想要调用函数b。虽然a并不关心函数b是从哪儿来的，只要函数b可以完成这个特定的功能即可。但是在 Java 的世界里函数必须要依附在对象上，所以函数a必须依附在对象A上，函数b必须依附在对象B上，函数a必须通过一个对象才能找到函数b，如下：

public class A {
public voidd a(Object o) {
System.out.println("a is invoked");
o.getClass().getMethod("b").invoke(o);
}
}

public class B {
public void b() {
System.out.println("b is invoked");
}
}
函数b可以这样传递给函数a：

new A().a(new B());
结果如下：

a is invoked
b is invoked
通过这个简单的例子，你可以看出，非一等公民的函数生存条件有多么的恶劣，通讯的阻力有多大。

下面再来看一个函数是一等公民的 Common Lisp 的世界里，怎么去定义两个函数

(defun a (b) (format t "a is invoked~%")
(funcall b))
(defun b () (format t "b is invoked"))
函数b可以这样传递给函数a：

(a #'b)
结果如下：

a is invoked
b is invoked
在函数是一等公民的世界里，函数a可以不再依附于对象A而单独存在，函数a可以直接与函数b交流，不再需要通过对象才能找到函数b。这里真是一个函数的天堂。

所以一等公民即在该世界里限制最少的角色。

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。

四.优点

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。
如果程序员每天所写的代码行数基本相同，这就意味着，"C语言需要一年时间完成开发某个功能，Lisp语言只需要不到三星期。反过来说，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

函数式编程的自由度很高，可以写出很接近自然语言的代码。
前文曾经将表达式(1 + 2) * 3 - 4，写成函数式语言：
　　subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)
对它进行变形，不难得到另一种写法：
　　add(1,2).multiply(3).subtract(4)
这基本就是自然语言的表达了。再看下面的代码，大家应该一眼就能明白它的意思吧：
　　merge([1,2],[3,4]).sort().search("2")
因此，函数式编程的代码更容易理解。

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）。
请看下面的代码：
　　var s1 = Op1();
　　var s2 = Op2();
　　var s3 = concat(s1, s2);
由于s1和s2互不干扰，不会修改变量，谁先执行是无所谓的，所以可以放心地增加线程，把它们分配在两个线程上完成。其他类型的语言就做不到这一点，因为s1可能会修改系统状态，而s2可能会用到这些状态，所以必须保证s2在s1之后运行，自然也就不能部署到其他线程上了。
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。