JavaScript 中的函数式编程原理

经过很长一段时间的学习和面向对象编程的工作，我退后一步，开始思考系统的复杂性。

“复杂性是任何使软件难以理解或修改的东西。” - John Outerhout

做了一些研究，我发现了函数式编程概念，如不变性和纯函数。 这些概念使你能够构建无副作用的功能，而函数式编程的一些优点，也使得系统变得更加容易维护。

在这篇文章中，我将通过 JavaScript 中的大量代码示例向您详细介绍函数式编程和一些重要概念。

什么是函数式编程？

维基百科：Functional programming

函数式编程是一种编程范式 - 一种构建计算机程序结构和元素的方式 - 将计算视为数学函数的评估并避免改变状态和可变数据 - Wikipedia

纯函数

当我们想要理解函数式编程时，我们学到的第一个基本概念是纯函数。 那么我们怎么知道函数是否纯粹呢？ 这是一个非常严格的纯度定义：

• 如果给出相同的参数，它返回相同的结果（它也称为确定性）
• 它不会引起任何可观察到的副作用

如果给出相同的参数，它返回相同的结果

我们想要实现一个计算圆的面积的函数。 不纯的函数将接收半径：radius 作为参数，然后计算 radius * radius * PI :

const PI = 3.14;

const calculateArea = (radius) => radius * radius * PI;

calculateArea(10); // returns 314

为什么这是一个不纯的功能？ 仅仅因为它使用的是未作为参数传递给函数的全局对象。

想象一下，数学家认为 PI 值实际上是 42， 并且改变了全局对象的值。

不纯的函数现在将导致 10 * 10 * 42 = 4200 .对于相同的参数（radius= 10），我们得到不同的结果。

我们来解决它吧！

const PI = 3.14;

const calculateArea = (radius, pi) => radius * radius * pi;

calculateArea(10, PI); // returns 314

现在我们将 PI 的值作为参数传递给函数。 所以现在我们只是访问传递给函数的参数。 没有外部对象(参数)。

• 对于参数 radius = 10 和 PI = 3.14，我们将始终具有相同的结果：314
• 对于参数 radius = 10 和 PI = 42，我们将始终具有相同的结果：4200

读取文件 (Node.js)

如果我们的函数读取外部文件，它也不是纯函数 - 文件的内容可以更改：

const fs = require('fs');
const charactersCounter = (text) => `Character count: ${text.length}`;

function analyzeFile(filepath) {
    let fileContent = fs.readFileSync(filepath);
    return charactersCounter(fileContent);
}

生成随机数

任何依赖于随机数生成器的函数都不可能是纯函数：

function yearEndEvaluation() {
    if (Math.random() > 0.5) {
        return "You get a raise!";
    } else {
        return "Better luck next year!";
    }
}

它不会引起任何可观察到的副作用

什么是可观察副作用呢？其中一种示例，就是在函数内修改全局的对象，或者参数。

现在我们要实现一个函数，来接收一个整数值并返回增加 1 的值。

let counter = 1;

function increaseCounter(value) {
  counter = value + 1;
}

increaseCounter(counter);
console.log(counter); // 2

我们首先定义了变量 counter 。 然后使用不纯的函数接收该值并重新为 counter 赋值，使其值增加 1 。

注意：在函数式编程中不鼓励可变性。

上面的例子中，我们修改了全局对象。 但是我们如何才能让函数变得纯净呢？ 只需返回增加1的值。

let counter = 1;

const increaseCounter = (value) => value + 1;

increaseCounter(counter); // 2
console.log(counter); // 1

可以看到我们的纯函数 increaseCounter 返回 2 ，但是 counter 还保持之前的值。该函数会使返回的数字递增，而且不更改变量的值。

如果我们遵循这两个简单的规则，就会使我们的程序更加容易理解。每个功能都是孤立的，无法影响到我们的系统。

纯函数是稳定，一致并且可预测的。给定相同的参数，纯函数将始终返回相同的结果。我们不需要考虑，相同的参数会产生不同的结果，因为它永远不会发生。

纯函数的好处

容易测试

纯函数的代码更加容易测试。我们不需要模拟任何执行的上下文。我们可以使用不同的上下文对纯函数进行单元测试：

• 给定参数 A -> 期望函数返回 B
• 给定参数 C -> 期望函数返回 D

一个简单的例子，函数接收一个数字集合，并期望数字集合每个元素递增。

let list = [1, 2, 3, 4, 5];

const incrementNumbers = (list) => list.map(number => number + 1);

我们接收到数字数组，使用 map 递增每个数字，并返回一个新的递增数字列表。

incrementNumbers(list); // [2, 3, 4, 5, 6]

对于输入 [1, 2, 3, 4, 5]，预期输出将是 [2, 3, 4, 5, 6]。

不变性

随着时间的推移不变，或无法改变

当数据具有不可变性时，它的状态在创建之后，就不能改变了。你不能去更改一个不可变的对象，但是你可以使用新值去创建一个新的对象。

在 JavaScript 中，我们常使用 for 循环。下面这个 for 循环有一些可变的变量。

var values = [1, 2, 3, 4, 5];
var sumOfValues = 0;

for (var i = 0; i < values.length; i++) {
  sumOfValues += values[i];
}

sumOfValues // 15

对于每次迭代，我们都在改变变量 i 和 sumOfValues 的状态。但是我们要如何处理迭代中的可变性？使用递归

let list = [1, 2, 3, 4, 5];
let accumulator = 0;

function sum(list, accumulator) {
    if (list.length == 0) {
        return accumulator;
    }

    // 移除数组第一项，并做累加
    return sum(list.slice(1), accumulator + list[0]);
}

sum(list, accumulator); // 15
list; // [1, 2, 3, 4, 5]
accumulator; // 0

所以这里我们有 sum 函数接收数值向量。 该函数调用自身，直到我们将列表清空。 对于每个“迭代”，我们会将该值添加到总累加器。

使用递归，我们可以保持变量的不可变性。 列表和累加器变量不会更改，会保持相同的值。

注意：我们可以使用reduce来实现这个功能。 我们将在高阶函数主题中介绍这个话题。

构建对象的最终状态也很常见。想象一下，我们有一个字符串，我们想将这个字符串转换为 url slug。

在 Ruby 中的面向对象编程中，我们将创建一个类，比方说，UrlSlugify。 这个类将有一个 slugify 方法将字符串输入转换为 url slug 。

class UrlSlugify
  attr_reader :text

  def initialize(text)
    @text = text
  end

  def slugify!
    text.downcase!
    text.strip!
    text.gsub!(' ', '-')
  end
end

UrlSlugify.new(' I will be a url slug   ').slugify! # "i-will-be-a-url-slug"

他已经实现了！（It’s implemented!）

这里我们使用命令式编程，准确的说明我们想要在 函数实现的过程中（slugify）每一步要做什么：首先是转换成小写，然后移除无用的空格，最后用连字符替换剩余的空格。

但是，在这个过程中，函数改变了输入的参数。

我们可以通过执行函数组合或函数链来处理这种变异。 换句话说，函数的结果将用作下一个函数的输入，而不修改原始输入字符串。

let string = " I will be a url slug   ";

function slugify(string) {
  return string.toLowerCase()
    .trim()
    .split(" ")
    .join("-");
}

slugify(string); // i-will-be-a-url-slug

这里我们：

• toLowerCase：将字符串转换为全部小写
• trim：从字符串的两端删除空格
• split 和 join ：用给定字符串中的替换替换所有匹配实例

我们将所有这四个功能结合起来，就可以实现 slugify 的功能了。

参考透明度

维基百科：Referential transparency

如果表达式可以替换为其相应的值而不更改程序的行为，则该表达式称为引用透明。这要求表达式是纯粹的，也就是说相同输入的表达式值必须相同，并且其评估必须没有副作用。-- 维基百科

让我们实现一个计算平方的方法：

const square = (n) => n * n;

在给定相同输入的情况下，此纯函数将始终具有相同的输出。

square(2); // 4
square(2); // 4
square(2); // 4
// ...

把 2 传递给 square 方法将始终返回 4。所以，现在我们可以使用 4 来替换 square(2)。我们的函数是引用透明的。

基本上，如果函数对同一输入始终产生相同的结果，则引用透明。

pure functions + immutable data = referential transparency

纯函数 + 不可变数据 = 参照透明度

有了这个概念，我们可以做一件很 cool 的事情，就是使这个函数拥有记忆（memoize）。
想象一下我们拥有这样一个函数：

const sum = (a, b) => a + b;

我们用这些参数调用它：

sum(3, sum(5, 8));

sum(5, 8) 等于 13。这个函数总是返回 13。因此，我们可以这样做：

sum(3, 13);

这个表达式总是会返回 16 。我们可以用一个数值常量替换整个表达式，并记住它。

这里推荐一篇淘宝FED关于 memoize 的文章：性能优化：memoization

函数是一等公民

函数作为一等公民，意味着函数也可以视为值处理，并当做数据来使用。

函数作为一等公民有如下特性：

• 可以当做常量，或者变量来引用
• 将函数当做参数传递给其他函数
• 将函数作为其他函数的返回值

我们的想法是函数视为值并将它们作为参数传递。 这样我们就可以组合不同的函数来创建具有新行为的新函数。

想象一下，我们有一个函数可以将两个值相加，然后将该值加倍：

const doubleSum = (a, b) => (a + b) * 2;

现在是一个，将两值相减，并返回该值加倍的函数：

const doubleSubtraction = (a, b) => (a - b) * 2;

这些函数具有相似的逻辑，但是计算时的运算符不同。 如果我们可以将函数视为值并将它们作为参数传递，我们可以构建一个函数来接收运算符函数并在函数中使用它。

const sum = (a, b) => a + b;
const subtraction = (a, b) => a - b;

const doubleOperator = (f, a, b) => f(a, b) * 2;

doubleOperator(sum, 3, 1); // 8
doubleOperator(subtraction, 3, 1); // 4

现在我们有一个函数参数：f，并用它来处理 a 和 b 。 我们传递了 sum 和 subtraction 函数以使用 doubleOperator函数进行组合并创建一个新行为。

高阶函数

维基百科：Higher-order function

当我们谈论高阶函数时，通常是指一个函数同时具有：

• 将一个或多个函数作为参数，或
• 返回一个函数作为结果

我们上面实现的 doubleOperator 函数是一个高阶函数，因为它将一个运算符函数作为参数并使用它。

您可能已经听说过 filter，map 和 reduce 。 我们来看看这些。

Filter

给定一个集合，我们希望按照属性进行过滤。filter 函数需要 true 或者 false 值来确定元素是否应该包含在结果集合中。基本上，如果回调表达式返回的是 true ，filter 函数返回的结果会包含该元素。否则，就不会包含该元素。

一个简单的例子是当我们有一个整数集合时，我们只想要过滤偶数。

命令式方法

使用 JavaScript 来实现时，需要如下操作：

• 创建一个空数组 evenNumbers
• 迭代数字数组
• 将偶数推到 evenNumbers 数组

var numbers = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10];
var evenNumbers = [];

for (var i = 0; i < numbers.length; i++) {
  if (numbers[i] % 2 == 0) {
    evenNumbers.push(numbers[i]);
  }
}

console.log(evenNumbers); // (6) [0, 2, 4, 6, 8, 10]

我们还可以使用 filter 高阶函数来接收 even 函数，并返回偶数列表：

const even = n => n % 2 == 0;
const listOfNumbers = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10];
listOfNumbers.filter(even); // [0, 2, 4, 6, 8, 10]

我在Hacker Rank FP上解决的一个有趣问题是Filter Array问题。 问题的想法是过滤给定的整数数组，并仅输出那些小于指定值X的值。

针对此问题，命令式JavaScript解决方案如下：

var filterArray = function(x, coll) {
  var resultArray = [];

  for (var i = 0; i < coll.length; i++) {
    if (coll[i] < x) {
      resultArray.push(coll[i]);
    }
  }

  return resultArray;
}

console.log(filterArray(3, [10, 9, 8, 2, 7, 5, 1, 3, 0])); // (3) [2, 1, 0]

我们的函数会做如下的事情 - 迭代集合，将集合当前项与 x 进行比较，如果它符合条件，则将此元素推送到 resultArray。

声明性处理

但我们想要一种更具声明性的方法来解决这个问题，并使用过滤器高阶函数。

声明性 JavaScript 解决方案将是这样的：

function smaller(number) {
  return number < this;
}

function filterArray(x, listOfNumbers) {
  return listOfNumbers.filter(smaller, x);
}

let numbers = [10, 9, 8, 2, 7, 5, 1, 3, 0];

filterArray(3, numbers); // [2, 1, 0]

在 smaller 函数中使用 this 首先看起来有点奇怪，但很容易理解。

this 将作为第二个参数传给 filter 方法。在这个示例中，3（x）代表 this。

这样的操作也可以用于集合。 想象一下，我们有一个人物集合，包含了 name、 age 属性。

let people = [
  { name: "TK", age: 26 },
  { name: "Kaio", age: 10 },
  { name: "Kazumi", age: 30 }
];

我们希望仅过滤指定年龄值的人，在此示例中，年龄超过18岁的人。

const olderThan18 = person => person.age > 18;
const overAge = people => people.filter(olderThan18);
overAge(people); // [{ name: 'TK', age: 26 }, { name: 'Kazumi', age: 30 }]

代码摘要：

• 我们有一份人员名单（姓名和年龄）。
• 我们有一个函数 oldThan18。在这种情况下，对于 people 数组中的每个人，我们想要访问年龄并查看它是否超过18岁。
• 我们根据此功能过滤所有人。

Map

map 的概念是转换一个集合。

map 方法会将集合传入函数，并根据返回的值构建新集合。

让我们使用刚才的 people 集合。我们现在不想过滤年龄了。我们只想得到一个列表，元素就像：TK is 26 years old。所以最后的字符串可能是 ：name is：age years old 其中 ：name 和 ：age 是 people 集合中每个元素的属性。

下面是使用命令式 JavaScript 编码的示例：

var people = [
  { name: "TK", age: 26 },
  { name: "Kaio", age: 10 },
  { name: "Kazumi", age: 30 }
];

var peopleSentences = [];

for (var i = 0; i < people.length; i++) {
  var sentence = people[i].name + " is " + people[i].age + " years old";
  peopleSentences.push(sentence);
}

console.log(peopleSentences); // ['TK is 26 years old', 'Kaio is 10 years old', 'Kazumi is 30 years old']

下面是使用声明式 JavaScript 编码的示例：

const makeSentence = (person) => `${person.name} is ${person.age} years old`;

const peopleSentences = (people) => people.map(makeSentence);

peopleSentences(people);
// ['TK is 26 years old', 'Kaio is 10 years old', 'Kazumi is 30 years old']

要做的事情是将给定数组转换为新数组。

另一个有趣的 Hacker Rank 问题是更新列表问题。 我们只想用它们的绝对值更新给定数组的值。

例如，输入 [1,2,3-4,5] 需要输出为 [1,2,3,4,5] 。 -4 的绝对值是 4。

一种简单的解决方案是将每个集合的值进行就地更新 (in-place)。

var values = [1, 2, 3, -4, 5];

for (var i = 0; i < values.length; i++) {
  values[i] = Math.abs(values[i]);
}

console.log(values); // [1, 2, 3, 4, 5]

我们使用 Math.abs 函数将值转换为其绝对值，并进行就地更新。

这不是一个函数式的解决方案。

• 首先，我们了解了不变性。 我们知道不可变性对于使我们的函数更加一致和可预测非常重要。 我们的想法是建立一个具有所有绝对值的新集合。
• 第二，为什么不在这里使用 map 来转换所有数据？

我的第一个想法是测试 Math.abs 函数只处理一个值。

Math.abs(-1); // 1
Math.abs(1); // 1
Math.abs(-2); // 2
Math.abs(2); // 2

我们希望将每个值转换为正值（绝对值）。

现在我们知道如何对一个值进行取绝对值的操作，我们可以将这个函数通过参数的方式传递给 map 。你还记得高阶函数可以接收函数作为参数并使用它吗？ 是的，map 可以。

let values = [1, 2, 3, -4, 5];

const updateListMap = (values) => values.map(Math.abs);

updateListMap(values); // [1, 2, 3, 4, 5]

Wow，鹅妹子嘤！

Reduce

reduce 函数的概念是，接收一个函数和一个集合，然后组合他们来创建返回值。

一个常见的例子是获得订单的总金额。想象一下，你正在一个购物网站购物。你增加了 Product 1，Product 2，Product 3，Product 4 到你的购物车。现在我们要计算购物车的总金额。

使用命令式编程的方式，我们将迭代订单列表并将每个产品金额与总金额相加。

var orders = [
  { productTitle: "Product 1", amount: 10 },
  { productTitle: "Product 2", amount: 30 },
  { productTitle: "Product 3", amount: 20 },
  { productTitle: "Product 4", amount: 60 }
];

var totalAmount = 0;

for (var i = 0; i < orders.length; i++) {
  totalAmount += orders[i].amount;
}

console.log(totalAmount); // 120

使用 reduce ，我们可以创建一个用来处理累加的函数，并将其作为参数传给 reduce 函数。

let shoppingCart = [
  { productTitle: "Product 1", amount: 10 },
  { productTitle: "Product 2", amount: 30 },
  { productTitle: "Product 3", amount: 20 },
  { productTitle: "Product 4", amount: 60 }
];

const sumAmount = (currentTotalAmount, order) => currentTotalAmount + order.amount;

const getTotalAmount = (cart) => cart.reduce(sumAmount, 0);

getTotalAmount(shoppingCart); // 120

这里我们有 shoppingCart，sumAmount函数接收当前的 currentTotalAmount ，对所有订单进行累加。

getTotalAmount 函数会接收 sumAmount 函数 从 0 开始累加购物车的值。

获得总金额的另一种方法是组合使用 map 和 reduce。 那是什么意思？ 我们可以使用 map 将 shoppingCart 转换为 amount 值的集合，然后只使用 reduce 函数和 sumAmount 函数。

const getAmount = (order) => order.amount;
const sumAmount = (acc, amount) => acc + amount;

function getTotalAmount(shoppingCart) {
  return shoppingCart
    .map(getAmount)
    .reduce(sumAmount, 0);
}

getTotalAmount(shoppingCart); // 120

getAmount 函数接收产品对象并仅返回金额值。 所以我们这里有 [10,30,20,60] 。 然后，通过 reduce 累加所有金额。Nice~

我们看了每个高阶函数的工作原理。 我想向您展示一个示例，说明如何在一个简单的示例中组合所有三个函数。

还是购物车，想象一下在我们的订单中有一个产品列表：

let shoppingCart = [
  { productTitle: "Functional Programming", type: "books", amount: 10 },
  { productTitle: "Kindle", type: "eletronics", amount: 30 },
  { productTitle: "Shoes", type: "fashion", amount: 20 },
  { productTitle: "Clean Code", type: "books", amount: 60 }
]

我们想要购物车中所有图书的总金额。 就那么简单， 需要怎样编写算法？

• 使用 filter 函数过滤书籍类型
• 使用 map 函数将购物车转换为数量的集合
• 使用 reduce 函数累加所有项目

let shoppingCart = [
  { productTitle: "Functional Programming", type: "books", amount: 10 },
  { productTitle: "Kindle", type: "eletronics", amount: 30 },
  { productTitle: "Shoes", type: "fashion", amount: 20 },
  { productTitle: "Clean Code", type: "books", amount: 60 }
]

const byBooks = (order) => order.type == "books";
const getAmount = (order) => order.amount;
const sumAmount = (acc, amount) => acc + amount;

function getTotalAmount(shoppingCart) {
  return shoppingCart
    .filter(byBooks)
    .map(getAmount)
    .reduce(sumAmount, 0);
}

getTotalAmount(shoppingCart); // 70

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愿大家都能在编程这条路，越走越远。