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说说你对函数式编程的理解?优缺点?

什么是函数式编程?函数式编程是一种编程范式,主要是利用函数把运算过程封装起来,通过组合各种函数来计算结果。函数式编程意味着你可以在更短的时间内编写具有更少错误的代码。举个简单的例子,假设我们要把字符串 functional programming is great 变成每个单词首字母大写,我们可以这样实现:

const string = 'functional programming is great'
const result = string
  .split(' ')
  .map((v) => v.slice(0, 1).toUpperCase() + v.slice(1))
  .join(' ')

上面的例子先用 split 把字符串转换数组,然后再通过 map 把各元素的首字母转换成大写,最后通过 join 把数组转换成字符串。 整个过程就是 join(map(split(str))), 体现了函数式编程的核心思想: 通过函数对数据进行转换。

由此我们可以得到,函数式编程有两个基本特点:

  1. 通过函数来对数据进行转换
  2. 通过串联多个函数来求结果

一、是什么

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函数式编程是一种 编程范式(programming paradigm),一种编写程序的方法论。

主要的编程范式有三种:命令式编程,声明式编程和函数式编程等等。相比命令式编程,函数式编程更加强调程序执行的结果而非执行的过程,倡导利用若干简单的执行单元让计算结果不断渐进,逐层推导复杂的运算,而非设计一个复杂的执行过程

举个例子,将数组每个元素进行平方操作,命令式编程与函数式编程如下

// 命令式编程
var array = [0, 1, 2, 3]
for (let i = 0; i < array.length; i++) {
  array[i] = Math.pow(array[i], 2)
}

// 函数式方式
;[0, 1, 2, 3].map((num) => Math.pow(num, 2))

简单来讲,就是要把过程逻辑写成函数,定义好输入参数,只关心它的输出结果

即是一种描述集合和集合之间的转换关系,输入通过函数都会返回有且只有一个输出值

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可以看到,函数实际上是一个关系,或者说是一种映射,而这种映射关系是可以组合的,一旦我们知道一个函数的输出类型可以匹配另一个函数的输入,那他们就可以进行组合

二、概念

纯函数

函数式编程旨在尽可能的提高代码的无状态性和不变性。要做到这一点,就要学会使用无副作用的函数,也就是纯函数

纯函数是对给定的输入返还相同输出的函数,并且要求你所有的数据都是不可变的,即纯函数 = 无状态 + 数据不可变

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举一个简单的例子

let double = (value) => value * 2

特性:

  • 函数内部传入指定的值,就会返回确定唯一的值
  • 不会造成超出作用域的变化,例如修改全局变量或引用传递的参数

优势:

  • 使用纯函数,我们可以产生可测试的代码
test('double(2) 等于 4', () => {
  expect(double(2)).toBe(4)
})
  • 不依赖外部环境计算,不会产生副作用,提高函数的复用性
  • 可读性更强 ,函数不管是否是纯函数 都会有一个语义化的名称,更便于阅读
  • 可以组装成复杂任务的可能性。符合模块化概念及单一职责原则

高阶函数

在我们的编程世界中,我们需要处理的其实也只有 “数据” 和“关系”,而关系就是函数

编程工作也就是在找一种映射关系,一旦关系找到了,问题就解决了,剩下的事情,就是让数据流过这种关系,然后转换成另一个数据,如下图所示

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在这里,就是高阶函数的作用。高级函数,就是以函数作为输入或者输出的函数被称为高阶函数

通过高阶函数抽象过程,注重结果,如下面例子

const forEach = function (arr, fn) {
  for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
    fn(arr[i])
  }
}
let arr = [1, 2, 3]
forEach(arr, (item) => {
  console.log(item)
})

上面通过高阶函数 forEach来抽象循环如何做的逻辑,直接关注做了什么

高阶函数存在缓存的特性,主要是利用闭包作用

const once = (fn) => {
  let done = false
  return function () {
    if (!done) {
      fn.apply(this, fn)
    } else {
      console.log('该函数已经执行')
    }
    done = true
  }
}

柯里化

柯里化是把一个多参数函数转化成一个嵌套的一元函数的过程

一个二元函数如下:

let fn = (x, y) => x + y

转化成柯里化函数如下:

const curry = function (fn) {
  return function (x) {
    return function (y) {
      return fn(x, y)
    }
  }
}
let myfn = curry(fn)
console.log(myfn(1)(2))

上面的curry函数只能处理二元情况,下面再来实现一个实现多参数的情况

// 多参数柯里化;
const curry = function (fn) {
  return function curriedFn(...args) {
    if (args.length < fn.length) {
      return function () {
        return curriedFn(...args.concat([...arguments]))
      }
    }
    return fn(...args)
  }
}
const fn = (x, y, z, a) => x + y + z + a
const myfn = curry(fn)
console.log(myfn(1)(2)(3)(1))

关于柯里化函数的意义如下:

  • 让纯函数更纯,每次接受一个参数,松散解耦
  • 惰性执行

组合与管道

组合函数,目的是将多个函数组合成一个函数

举个简单的例子:

function afn(a) {
  return a * 2
}
function bfn(b) {
  return b * 3
}
const compose = (a, b) => (c) => a(b(c))
let myfn = compose(afn, bfn)
console.log(myfn(2))

可以看到compose实现一个简单的功能:形成了一个新的函数,而这个函数就是一条从 bfn -> afn 的流水线

下面再来看看如何实现一个多函数组合:

const compose =
  (...fns) =>
  (val) =>
    fns.reverse().reduce((acc, fn) => fn(acc), val)

compose执行是从右到左的。而管道函数,执行顺序是从左到右执行的

const pipe =
  (...fns) =>
  (val) =>
    fns.reduce((acc, fn) => fn(acc), val)

组合函数与管道函数的意义在于:可以把很多小函数组合起来完成更复杂的逻辑

三、优缺点

优点

  • 更好的管理状态:因为它的宗旨是无状态,或者说更少的状态,能最大化的减少这些未知、优化代码、减少出错情况
  • 更简单的复用:固定输入 -> 固定输出,没有其他外部变量影响,并且无副作用。这样代码复用时,完全不需要考虑它的内部实现和外部影响
  • 更优雅的组合:往大的说,网页是由各个组件组成的。往小的说,一个函数也可能是由多个小函数组成的。更强的复用性,带来更强大的组合性
  • 隐性好处。减少代码量,提高维护性

缺点:

  • 性能:函数式编程相对于指令式编程,性能绝对是一个短板,因为它往往会对一个方法进行过度包装,从而产生上下文切换的性能开销
  • 资源占用:在 JS 中为了实现对象状态的不可变,往往会创建新的对象,因此,它对垃圾回收所产生的压力远远超过其他编程方式
  • 递归陷阱:在函数式编程中,为了实现迭代,通常会采用递归操作。

四、编程范式

网上对于编程范式说法很多,例如函数式编程是声明式编程的子集,这里我们不过分去严格去抠字眼和只讨论我们经常遇见的。

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函数式编程、面向对象编程和面向过程编程是我们常用的三种不同的编程范式,而命令式是我们最基本的编程范式,它们在处理数据和解决问题时有不同的方法和思维方式。

  1. 面向过程编程(PP)

    • 面向过程编程将程序视为一系列的步骤(过程)的集合。程序的执行是按照顺序依次执行每个步骤,通过对数据进行操作来达到预期的结果。
    • 面向过程编程强调算法和步骤的设计,将问题分解为一系列的操作和函数。
    • 面向过程编程通常使用全局变量,函数接受参数并返回结果,函数之间通过参数传递数据。
  2. 面向对象编程(OOP)

    • 面向对象编程将程序视为一系列相互作用的对象的集合。对象是数据和行为的组合体,每个对象都有自己的状态和方法。
    • 面向对象编程强调对象的设计和交互,通过定义类和实例化对象来解决问题。
    • 面向对象编程使用封装继承多态等概念,通过对象之间的消息传递来实现数据和行为的交互。
  3. 函数式编程(FP)

    • 函数式编程将程序视为函数的组合和变换。它将计算过程看作是函数之间的转换,通过对函数的组合和应用来解决问题。

    • 函数式编程强调函数的纯粹性和无状态性,避免共享状态和可变数据。

    • 函数式编程使用高阶函数、不可变数据和递归等概念,通过函数的组合和变换来处理数据。

  4. 命令式编程(Imperative Programming):

    • 命令式编程是最常见的编程范式,它通过一系列的指令或语句来描述计算机执行的步骤和操作。
    • 命令式编程关注如何修改和操作变量的状态,通过修改共享状态来实现计算过程。

区别:

  • 面向过程编程关注步骤和操作,使用全局变量和函数参数传递数据。
  • 面向对象编程关注对象的交互,通过类和对象来封装数据和行为。
  • 函数式编程关注函数的组合和变换,强调纯粹性和无状态性来处理数据。

这些编程范式并不是相互排斥的,实际上,在实际开发中,可以根据问题的性质和需求组合使用不同的编程范式。许多编程语言支持多种范式,例如,Java、Python、JavaScript等语言可以同时支持命令式编程、面向对象编程和函数式编程。

选择适当的编程范式取决于问题的特性、团队的经验和个人的偏好。熟悉不同的编程范式可以帮助程序员更好地理解和解决问题。

五、参考文献