函数式编程思想

1、函数式编程简介

背景

　　函数式编程诞生于50多年前。现在越来越多的人开始接受并进行函数式编程的实践。不仅最古老的函数式语言 Lisp 重获青春，而且新的函数式语言层出不穷，比如 Erlang、clojure、Scala、F#等等。目前最当红的Objective-C, Python、Ruby、 Javascript都引入了对函数式编程的支持。就连老牌的面向对象的 Java、面向过程的 PHP, 以及苹果最新的swift语言，都忙不迭地加入匿名函数等机制。

　　越来越多的迹象表明，函数式编程已经不再是学术界的最爱，开始大踏步地在业界投入实用。 也许继面向对象编程之后，函数式编程会成为下一个编程的主流范式。

　　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。说到函数式编程编程就不得不说面向对象。面向对象是把一个功能的一组操作和相关数据封装在一个对象里，面向对象是对象满天飞。函数式编程是把一个功能的一个操作和相关数据封装在一起，函数式编程是函数满天飞。函数式编程比面向对象的优势就是粒度更小，生命周期更短。减少bug的有效途径就是减少变量的生命周期，缩小模块的粒度；所以函数式编程更不容易引入bug。

定义

　　是一种编程范型，它将计算机运算视为数学上的函数计算，并且避免使用程序状态以及易变对象。函数编程语言最重要的基础是λ演算（lambda calculus）。λ演算中最关键的要素就是函数被当作变量处理，能够参与运算。

价值观

函数式编程强调程序的执行结果比执行过程更重要。关注于描述问题，而不是怎么实现，隐藏实现细节。

化繁为简。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。

—你的优秀和我的人生无关，请带着你的趾高气扬滚蛋吧。

　　下面是一个输出数组的例子　　

shoplist = ['apple','mango','carrot','banana']
print 'My shopping list is now', shoplist
#输出
#My shopping list is now ['banana', 'carrot', 'mango', 'rice']

　　这样的代码更易读，代码只是描述在干什么，而不是如何做到这点的具体实现。如果是过程式编程，需要一个for循环去描述实现细节。

　　函数式编程在解决复杂运算问题时，把一个问题分解为若干子问题，逐步求解。软件或程序的拼装会变得更为简单和直观。使代码更容易理解，方便排查问题，并且具有更好的可维护性和扩展性。

　　现在有这样一个数学表达式:

　　(1 + 2) * 3 – 4

　　传统的过程式编程:

　　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); 

　　这个就是函数式编程的准则：函数不受外部变量影响，不依赖于外部变量，也不改变外部变量的值。

　　传统的过程式编程:

int count;
void increment()
{
    returen count++;
}

　　函数式编程：

def increment(count):
  return count+1;

　　函数不访问全局变量，也不改变全局变量。

2、函数式编程特性

　   封装、继承、多态是面向对象编程的三大特性。函数式编程也有自己的语言特性。

数据不可变性（immutable data）多有的变量只可以赋值一次，变量不可变，如果想改变变量就创建一个新的变量。

　数据的不可变性保证了程序是无状态的，很多难解的bug往往是由各种复杂的状态引起的。比如发现某些情况下程序运行有问题，是某一个状态引起的，但是这个状态有100种可能性，在1000个地方都有对这个状态进行操作。debug的时候要杀人的心都有了。数据不可变性同时保证了函数没有“副作用”，函数的副作用是指除了返回函数值外，还对主调用函数

函数是第一公民（first class method）函数可以像普通变量一样去使用。函数可以像变量一样被创建，修改，并当成变量一样传递，返回或是在函数中嵌套函数。

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，调用函数所得到的返回值总是相同的。天然适应并发编程，因为调用函数的结果具有一致性，所以根本不需要加锁，也就不存在死锁的问题。

尾递归化（tail call optimization）因为函数调用要压栈保存现场，递归层次过深的话，压栈过多会产生性能问题。所以引入尾递归优化，每次递归时都会重用栈，提升性能。

 把函数作为参数传递的例子

NSComparisonResult (^cmp)(id obj1, id obj2)  = ^NSComparisonResult(id obj1, id obj2) {
    return [obj1 isEqualToString:obj2];
}
NSArray* items = [@"a", @"c", @"d"];
[items sortedArrayUsingComparator:cmp];

　　sortedArrayUsingComparator方法负责排序，需要把比较的规则告诉他，将比较方法作为一个参数传到函数中进行运算。

只用“表达式”，不用“语句”： 表达式是一个单纯的运算过程，总是有返回值；而语句是执行某种操作，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。原因是函数是编程的开发动机，一是为了处理运算，不考虑系统的读写(I/O)。 
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。

—3、函数式编程技术（方法论）

—映射化简（map & reduce）函数式编程最常见的技术就是对一个集合做Map和Reduce操作。这比起过程式的语言来说，在代码上要更容易阅读。传统过程式的语言需要使用for/while循环，然后在各种变量中把数据倒过来倒过去的

管道    （pipeline）把一组函数放到一个数组或是列表中，然后把数据传给这个列表，数据就像一个pipeline一样顺序地被各个函数所操作，最终得到我们想要的结果。他的设哲学就是让每个功能就做一件事，并把这件事做到极致，软件或程序的拼装会变得更为简单和直观。

—递归    （recursing）递归最大的好处就简化代码，他可以把一个复杂的问题用很简单的代码描述出来。递归的精髓是描述问题，而这正是函数式编程的精髓。

—柯里化  （currying）把一个函数的多个参数分解成多个函数， 然后把函数多层封装起来，每层函数都返回一个函数去接收下一个参数。

—高阶函数（higher order function）函数当参数，把传入的函数做一个封装，然后返回这个封装函数。现象上就是函数传进传出。

3.1.map & reduce

　　Python代码：

def toUpper(item)
    return item.upper()
print map(tuUpper , [“hellow”,”world”])

　　将数组里的所有字符串变为大写，直接使用map，不需要写for循环。最后输出 [“HELLO”,”WORLD”] 

print reduce(lambda x , y : x + y,[1,2,3,4,5])

　　将数组里所有数值进行累加，相当于1+2+3+4+5，输出 15。

　　lambda是Python的匿名函数，lambda x,y:x+y相当于def func(x,y):return x+y

3.2. 管道

　　如果有一个需求找出一组数中的所有偶数并对他们求平方，最后求他们的和，可以分解成三个步骤：

　　1）找偶数
　　2）求平方
　　3）累加

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def even(nums):
     return filter(lambda x: x%2==0, nums)
def square(nums):
    return map(lambda x: x*x, nums)
def  total(nums):
    return reduce(lambda x,y:x+y,nums)

nums = [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
pipeline = total(square(even(nums)))

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　　even方法求偶数，square求他们的平方，total方法将他们加在一起。通过管道的方式把他们串联在一起，一个复杂的处理就完成了。

　　让每个方法只做一件事，并把这件事做到极致。

3.3. 递归

　　在其他类型的语言中，变量往往用来保存状态。变量不可变，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。

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void fun(const int i)
{
    if (i < 10 && i >= 0)
    {
        NSLog(@"i:%d", i);
        fun(i + 1);
    }
}

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　　每次状态的变化就是值+1。

3.4.柯里化和高阶函数

　　柯里化就是一个函数只有一个参数，那如果需要两个参数怎么办，比如两个数相加求和。通过把一个参数封装成函数的方式实现。　　

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def func(a):
    def add(b):
        return a+b
    return add

funcA = func(5)
print funcA(10)

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　　func函数返回一个add函数，funcA变量就是一个a为5的add函数。print funcA(10)就是向add函数传入10，最后结果就是5+10 输出15。

4、函数式编程意义

　1、代码简洁，快速开发

　　 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。

   2、接近自然语言，易于理解

　　 函数式编程注重干什么而不是怎么干，更容易理解。例子—–表达式(1 + 2) * 3 – 4，可以写成函数式语言：subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)

　3、方便代码的管理和维护　　

　　 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、易于进行并发开发

　　函数式编程因为它不修改变量，所以根本不存在”锁”线程的问题，不需要考虑”死锁”(deadlock)。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中。

示例2：

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。

最后，其实使用面向对象或者面向方法都不重要，重要的是如何理解其中的价值观和方法论，构造可维护、可扩展、稳定又灵活的程序。