学会使用函数式编程的程序员(第1部分)

在这篇由多部分组成的文章中，接下来将介绍函数式编程的一些概念，这些概念对你学习函数式编程有所帮助。如果你已经懂了什么是函数式编程，这可以加深你的理解。

请不要着急。从这一点开始，花点时间阅读并理解代码示例。你甚至可能想在每节课结束后停止阅读，以便让你的观点深入理解，然后再回来完成。

最重要的是你要理解。

纯函数(Purity)

image.png

所谓纯函数，就是指这样一个函数，对于相同的输入，永远得到相同的输出，它不依赖外部环境，也不会改变外部环境。如果不满足以上几个条件那就是非纯函数。

下面是Javascript中的一个纯函数示例:

var z = 10;
function add(x, y) {
    return x + y;
}

注意，add 函数不涉及z变量。它不从z读取，也不从z写入，它只读取x和y，然后返回它们相加的结果。这是一个纯函数。如果 add 函数确实访问了变量z，那么它就不再是纯函数了。

请思考一下下面这个函数：

function justTen() {
    return 10;
}

如果函数justTen是纯的，那么它只能返回一个常量, 为什么？

因为我们没有给它任何参数。 而且，既然是纯函数的，除了自己的输入之外它不能访问任何东西，它唯一可以返回的就是常量。

由于不带参数的纯函数不起作用，所以它们不是很有用。所以justTen被定义为一个常数会更好。

大多数有用的纯函数必须至少带一个参数。

考虑一下这个函数:

function addNoReturn(x, y) {
    var z = x + y
}

注意这个函数是不返回任何值。它只是把变量x和y相加赋给变量z，但并没有返回。

这个也是一个纯函数，因为它只处理输入。它确实对输入的变量进行操作，但是由于它不返回结果，所以它是无用的。

所有有用的纯函数都必须返回一些我们期望的结果。

让我们再次考虑第一个add函数:

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注意 add(1, 2) 的返回结果总是 3。这不是奇怪的事情，只是因为 add 函数是纯的。如果 add 函数使用了一些外部值，那么你永远无法预测它的行为。

在给定相同输入的情况下，纯函数总是返回相同的结果。

由于纯函数不能改变任何外部变量，所以下面的函数都不是纯函数:

writeFile(fileName);
updateDatabaseTable(sqlCmd);            
sendAjaxRequest(ajaxRequest);
openSocket(ipAddress);

所有这些功能都有副作用。当你调用它们时，它们会更改文件和数据库表、将数据发送到服务器或调用操作系统以获取套接字。它们不仅对输入操作同时也对输出进行操作，因此，你永远无法预测这些函数将返回什么。

纯函数没有副作用。

在Javascript、Java 和 c# 等命令式编程语言中，副作用无处不在。这使得调试非常困难，因为变量可以在程序的任何地方更改。所以，当你有一个错误，因为一个变量在错误的时间被更改为错误的值，这不是很好。

此时，你可能会想，“我怎么可能只使用纯函数呢?”

函数式编程不能消除副作用，只能限制副作用。由于程序必须与真实环境相连接，所以每个程序的某些部分肯定是不纯的。函数式编程的目标是尽量写更多的纯函数，并将其与程序的其他部分隔离开来。

不可变性 (Immutability)

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你还记得你第一次看到下面的代码是什么时候吗?

var x = 1;
x = x + 1;

教你初中数学的老师看到以上代码，可能会问你，你忘记我给你教的数学了吗？ 因为在数学中，x 永远不能等于x + 1。

但在命令式编程中，它的意思是，取x的当前值加1，然后把结果放回x中。

在函数式编程中，x = x + 1是非法的。所以这里你可以用数学的逻辑还记得在数式编程中这样写是不对的！

函数式编程中没有变量。

由于历史原因，存储值的变量仍然被称为变量，但它们是常量，也就是说，一旦x取值，这个常量就是x返回的值。别担心，x 通常是一个局部变量，所以它的生命周期通常很短。但只要它还没被销毁，它的值就永远不会改变。

下面是Elm中的常量变量示例，Elm是一种用于Web开发的纯函数式编程语言:

addOneToSum y z =
    let
        x = 1
    in
        x + y + z

如果你不熟悉ml风格的语法，让我解释一下。addOneToSum 是一个函数，有两个参数分别为y和z。

在let块中，x被绑定到1的值上，也就是说，它在函数的生命周期内都等于1。当函数退出时，它的生命周期结束，或者更准确地说，当let块被求值时，它的生命周期就结束了。

在in块中，计算可以包含在let块中定义的值，即 x，返回计算结果 x + y + z，或者更准确地说，返回 1 + y + z，因为 x = 1。

你可能又会想 :“我怎么能在没有变量的情况下做任何事情呢?”

我们想一下什么时候需要修改变量。通常会想到两种情况:多值更改(例如修改或记录对象中的单个值)和单值更改(例如循环计数器)。

函数式编程使用参数保存状态，最好的例子就是递归。是的，是没有循环。“什么没有变量，现在又没有循环? ”我讨厌你! ! !”

哈哈，这并不是说我们不能做循环，只是没有特定的循环结构，比如for, while, do, repeat等等。

函数式编程使用递归进行循环。

这里有两种方法可以在Javascript中执行循环:

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注意，递归是一种函数式方法，它通过使用一个结束条件 start (start + 1) 和调用自己 accumulator (acc + start) 来实现与 for 循环相同的功能。它不会修改旧的值。相反，它使用从旧值计算的新值。

不幸的是，这在 Javascript中 很难想懂，需要你花点时间研究它，原因有二。第一，Javascript的语法相对其它高级语言比较乱，其次，你可能还不习惯递归思维。

在Elm，它更容易阅读，如下：

sumRange start end acc =
    if start > end then
        acc
    else
        sumRange (start + 1) end (acc + start)

它是这样运行的:

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你可能认为 for 循环更容易理解。虽然这是有争议的，而且更可能是一个熟悉的问题，但非递归循环需要可变性，这是不好的。

在这里，我还没有完全解释不变性的好处，但是请查看全局可变状态部分，即为什么程序员需要限制来了解更多。

我还没有完全解释不可变性(Immutability)在这里的好处，但请查看 为什么程序员需要限制的全局可变状态部分 以了解更多信息。

不可变性的好处是，你读取访问程序中的某个值，但只有读权限的，这意味着不用害怕其他人更改该值使自己读取到的值是错误。

不可变性的还有一个好处是，如果你的程序是多线程的，那么就没有其他线程可以更改你线程中的值，因为该值是不可变，所以另一个线程想要更改它，它只能从旧线程创建一个新值。

不变性可以创建更简单、更安全的代码。

重构

让我们考虑一下重构，下面是一些Javascript代码:

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我们以前可能都写过这样的代码，随着时间的推移，开始意识到这两个函数实际上是相同的，函数名称，打印结果不太一样而已。

我们不应该复制 validateSsn 来创建 validatePhone，而是应该创建一个函数(共同的部分)，通过参数形式实现我们想要的结果。

重构后的代码如下：

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旧代码参数中 ssn 和 phone 现在用 value 表示，正则表达式 **/^\d{3}-\d{2}-\d{4}$/ and /^\(\d{3}\)\d{3}-\d{4}$/** 由变量 regex. 表示。最后，消息“SSN”和 “电话号码” 由变量 type表示。

这个有类似的函数都可以使用这个函数来实现，这样可以保持代码的整洁和可维护性。

高阶函数

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许多语言不支持将函数作为参数传递,有些会支持但并不容易。

在函数式编程中，函数是一级公民。换句话说，函数通常是另一个函数的值。

由于函数只是值，我们可以将它们作为参数传递。即使Javascript不是纯函数语言，也可以使用它进行一些功能性的操作。 所以这里将上面的两个函数重构为单个函数，方法是将验证合法性的函数作为函数 parseFunc 的参数：

function validateValueWithFunc(value, parseFunc, type) {
  if (parseFunc(value))
    console.log('Invalid ' + type);
  else
    console.log('Valid ' + type);
}

像函数 parseFunc 接收一个或多个函数作为输入的函数，称为 高阶函数。

高阶函数要么接受函数作为参数，要么返回函数，要么两者兼而有之。

现在可以调用高阶函数（这在Javascript中有效，因为Regex.exec在找到匹配时返回一个truthy值）：

validateValueWithFunc('123-45-6789', /^\d{3}-\d{2}-\d{4}$/.exec, 'SSN');
validateValueWithFunc('(123)456-7890', /^\(\d{3}\)\d{3}-\d{4}$/.exec, 'Phone');
validateValueWithFunc('123 Main St.', parseAddress, 'Address');
validateValueWithFunc('Joe Mama', parseName, 'Name');

这比有四个几乎相同的函数要好得多。

但是请注意正则表达式，这里有点冗长了。简化一下：

var parseSsn = /^\d{3}-\d{2}-\d{4}$/.exec;
var parsePhone = /^\(\d{3}\)\d{3}-\d{4}$/.exec;
validateValueWithFunc('123-45-6789', parseSsn, 'SSN');
validateValueWithFunc('(123)456-7890', parsePhone, 'Phone');
validateValueWithFunc('123 Main St.', parseAddress, 'Address');
validateValueWithFunc('Joe Mama', parseName, 'Name');

现在看起来好多了。现在，当要验证一个电话号码时，不需要复制和粘贴正则表达式了。

但是假设我们有更多的正则表达式需要解析，而不仅仅是 parseSsn 和 parsePhone。每次创建正则表达式解析器时，我们都必须记住在末尾添加 .exec，这很容易被忘记。

可以通过创建一个返回exec 的高阶函数来防止这种情况:

function makeRegexParser(regex) {
    return regex.exec;
}
var parseSsn = makeRegexParser(/^\d{3}-\d{2}-\d{4}$/);
var parsePhone = makeRegexParser(/^\(\d{3}\)\d{3}-\d{4}$/);
validateValueWithFunc('123-45-6789', parseSsn, 'SSN');
validateValueWithFunc('(123)456-7890', parsePhone, 'Phone');
validateValueWithFunc('123 Main St.', parseAddress, 'Address');
validateValueWithFunc('Joe Mama', parseName, 'Name');

这里，makeRegexParser采用正则表达式并返回exec函数，该函数接受一个字符串。validateValueWithFunc 将字符串 value 传递给 parse 函数，即exec。

parseSsn 和 parsePhone 实际上与以前一样，是正则表达式的 exec 函数。

当然，这是一个微小的改进，但是这里给出了一个返回函数的高阶函数示例。但是，如果makeRegexParser 要复杂得多，这种更改的好处是很大的。

下面是另一个返回函数的高阶函数示例:

function makeAdder(constantValue) {
    return function adder(value) {
        return constantValue + value;
    };
}

函数 makeAdder，接受参数 constantValue 并返回函数 adder，这个函数返回 constantValue与它传入参数相加结果。

下面是它的用法:

var add10 = makeAdder(10);
console.log(add10(20)); // 打印 30
console.log(add10(30)); // 打印 40
console.log(add10(40)); // 打印 50

我们通过将常量10传递给 makeAdder 来创建一个函数 add10, makeAdder 返回一个函数，该函数将向返回的结果都加 10。

注意，即使在 makeAddr 返回之后，函数 adder 也可以访问变量 constantValue。 这里能访问到 constantValue 是因为存在闭包。

闭包机制非常重要，因为如果没有它 ，返回函数的函数就不会有很大作用。所以必须了解它们是如何工作。

闭包

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下面是一个使用闭包的函数的示例:

function grandParent(g1, g2) {
    var g3 = 3;
    return function parent(p1, p2) {
        var p3 = 33;
        return function child(c1, c2) {
            var c3 = 333;
            return g1 + g2 + g3 + p1 + p2 + p3 + c1 + c2 + c3;
        };
    };
}

在这个例子中，child 函数可以访问它自身的变量，函数 parent 函数可以访问它的自身变量和函数 grandParent 的变量。而函数 grandParent 只能访问自身的变量。

下面是它的一个使用例子:

var parentFunc = grandParent(1, 2); // returns parent()
var childFunc = parentFunc(11, 22); // returns child()
console.log(childFunc(111, 222)); // prints 738
// 1 + 2 + 3 + 11 + 22 + 33 + 111 + 222 + 333 == 738

在这里，parentFunc 保留了 parent 的作用域，因为 grandParent 返回 parent。

类似地，childFunc 保留了 child 的作用域，因为 parentFunc 保留了 parent 的作用域，而 parent 的作用域 保留了child 的作用域。

当一个函数被创建时，它在创建时作用域中的所有变量在函数的生命周期内都是可访问的。一个函数只要还有对它的引用就存在。例如，只要childFunc 还引用 child 的作用域，child 的作用域就存在。
![D~_ZNP]]4MDN{U%GK%ILS4I.png](https://img.haomeiwen.com/i15405197/5e659623e213f6af.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)
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