swift之函数式编程

函数式编程初探

最近初学swift,和OC比,发现语言更现代,也有了更多的特性。如何写好swift代码,也许,熟练使用新特性写出更优秀的代码,就是答案。今天先从大的方向谈谈swift中的编程范式-函数式编程。主要还是读了大佬帖子,写写自己的理解。

什么是函数式编程

"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。

它使代码更像自然语言,告诉程序员要干什么,而不是怎么干,把怎么干的细节拆分到各个函数中。调用的地方逻辑清晰,便于debug。

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。

为什么使用函数式编程

  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。
  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。我们把程序的逻辑分成了几个函数,这样一来,我们的代码逻辑也会变得几个小碎片,于是我们读代码时要考虑的上下文就少了很多,阅读代码也会更容易。 而把代码逻辑封装成了函数后,我们就相当于给每个相对独立的程序逻辑取了个名字,于是代码成了自解释的。 前文曾经将表达式(1 + 2) * 3 - 4,写成函数式语言: 对它进行变形,不难得到另一种写法:   add(1,2).multiply(3).subtract(4)
subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)
  1. 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。
  2. 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)。

函数式编程的一些重要概念

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);

函数(function)和procedure是有区别的

函数(function)这个名词来自于数学,函数通过一个给定的值,计算出另外一个值,也就是上学时常见的f(x)。

在通常的理解中,下面代码里面,f1,f2,f3通常都被叫做函数:

//伪代码 函数无入参,返回2
def f1(): return 2
//函数有参数x,返回 x+1
def f2(int x): return x+1
//函数无入参,无返回值,打印hello world
def f3(): print("hello world")

复制代码但实际上,函数(function)和procedure是有区别的: function 通过运算返回一个值,而procedure只执行一段代码,没有返回值。 这一点对于后面的理解是非常有帮助的,首先要区分出二者。

再回到上面的代码中,f1,f2,为function而f3为procedure。

Pure Function(纯函数)

Pure:纯的; 单纯的; 纯真的; 干净的 我们将满足下面两个条件的函数称作Pure Function:

  • 函数不会产生side effect(no side effect)
  • 函数满足referential transparency这个条件 (原谅我不会翻译这两个名词)
  1. Side effect 函数调用后不会对外部状态产生影响,比如下面这段代码中sum函数是no side effect的: 产生side effect的函数长成什么样呢?其实经常会写这样的函数: int sum = 0 def plus(a,b){ sum = a + b return sum } plus函数除了计算参数之和以外,还改变了外部变量sum的值,我们plus这个函数产生了side effect。 常见的Side effect
def sum(a,b): return a+b
  • 改变外部变量的值(上面的例子中plus函数)
  • 像磁盘中写入数据
  • 将页面上的一个按钮设置为可点击,或者不可点击 前面提到function和procedure的不同点,在side effect这个角度来讲,pure funcion不会产生side effect,procedure通常会产生side effect。 满足Referential Transparency的函数可以将可以将用函数计算的结果替换表达式本身,而不影响程序的逻辑。 给定指定的参数,在任何时候返回的值都是相同的。不受其他外部条件影响。 两者说的意思是一样的,只是表达的角度是不同的 举个满足RT的例子 下面这段代码中的f()是满足RT的函数,按照上面的解释,我们可以将f()的结果也就是2替换掉f(),不会影响程序本身的逻辑: def f(): return 2 print(2 + f()) print(2) 或者这样替换: def f(): return 2 print(f() + 2) print(2) 从另一个角度说,f()这个函数无论在什么时候调用,返回的值都是一样的,不会发生改变(没有外部条件影响) 举个不满足RT的例子 int counter = 0 def f(x){ counter += 1 return x + counter } 这个例子中,f(x)这个函数不满足RT 下面的代码中,当我们用f(1)的计算结果一次替换代码中f(1)本身时,程序的逻辑是错误的: //原始的代码执行结果是:3 f(1) + f(1) //把f(1)的结果1替换进来,下面函数执行的结果是:2 f(1) + 1 //同样,得到2 1 + f(1) //得到2 1 + 1 我们不能用执行的结果替换函数本身, 换个角度,下面两行代码执行的结果也不同 f(1) + f(1) 2 * f(1) 虽然入参都为1,但f(1)在不同时候调用得到的结果不同,因此f不满足RT这个条件 回到pure function,理解了side effect 和 referential transparency的含义,我们再来重温pure function的定义,就很好理解了:
def f(): return 2

print(f() + f())
print(2)
  • No side effect
  • Referential transparency 满足这两个条件的函数,称之为pure function

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。

swift中函数式编程的应用

高阶函数

先说两个概念型的名词:

高阶函数(high order func),指可以将其他函数作为参数或者返回结果的函数。

一级函数(first class func),指可以出现在任何其他构件(比如变量)地方的函数。

map 

map { (Element) -> Element in
    对 element 进行处理
}

一般用在集合类型,对集合里的元素进行遍历,函数体里实现对每一个元素的操作。

var arr = [1,3,2,4]
let mapres = arr.map {
    "NO." + String($0)
}

// 运行结果:["NO.1", "NO.3", "NO.2", "NO.4"]

reduce

reduce(Result) { (Result, Element) -> Result in
    基于 Result 对当前的 Element 进行操作,并返回新的 Result
}

一般用在集合类型,对集合里的元素进行叠加处理,函数体里传两个参数,第一个是之前的叠加结果,第二个是当前元素,返回值是对当前元素叠加后的结果。

// 对数组里的元素:奇数相加,偶数相乘
var arr = [1,3,2,4]
let reduceRes = arr.reduce((0,1)) { (a:(Int,Int), t:Int) -> (Int,Int) in
    if t % 2 == 1 {
        return (a.0 + t, a.1)
    } else {
        return (a.0, a.1 * t)
    }
}
// 运行结果:(4,8)

filter

filter { (Element) -> Bool
    对元素的筛选条件,返回 Bool
}

一般用在集合类型,对集合里的元素进行筛选。函数体里实现筛选条件,返回 true 的元素通过筛选。

var arr = [1,3,2,4]
let filterRes = arr.filter {
    $0 % 2 == 0
}
// 运行结果:[2,4]

flatMap

首先先看下 Swift 源码里对集合数组的map和flatmap的实现:

// Sequence.swift
extension Sequence {
    public func map<T>(_ transform: (Element) -> T) -> [T] {}
}

// SequenceAlgorithms.swift.gyb
extension Sequence {
    public func flatMap<T>(_ transform: (Element) -> T?) -> [T] {}
    public func flatMap<S : Sequence>(_ transform: (Element) -> S) -> [S.Element] {}
}

前面我们已经知道,map是一种遍历,而上面的代码又显示出来,flatmap有两种重载的函数:

其中一种与map非常相似,差别只在闭包里的返回值变成了可选类型。 另一种稍微有点不同,闭包传入的是数组,最后返回的是数组的元素组成的集合。

// map
let arr = [1,2,nil,4,nil,5]
let arrRes = arr.map { $0 } // 结果为:[Optional(1), Optional(2), nil, Optional(4), nil, Optional(5)]

// flatmap
let brr = [1,2,nil,4,nil,5]
let brrRes = brr.flatmap { $0 } // 结果为:[1, 2, 4, 5]

let crr = [[1,2,4],[5,3,2]]
let ccRes = crr.flatmap { $0 } // 结果为:[1, 2, 4, 5, 3, 2]
let cdRes = crr.flatmap { c in
    c.map { $0 * $0 }
} // 结果为[1, 4, 16, 25, 9, 4]

// 使用 map 实现的上面平铺功能
let ceRes = Array(crr.map{ $0 }.joined()) // 同 ccRes
let cfRes = Array(crr.map{ $0 }.joined()).map{ $0 * $0 } // 同 cdRes

简单理解为,flatMap可以将多维数组平铺,也还以过滤掉一维数组中的nil元素。

map和flatMap不只在数组中可以使用,对于 Optional 类型也是可以进行操作的。先看下面这个例子:

let a: Date? = Date()
let formatter = DateFormatter()
formatter.dateStyle = .medium

let c = a.map(formatter.string(from:))
let d = a == nil ? nil : formatter.string(from: a!)
c 和 d 是两种不同的写法,c 写法是不是更优雅一些?

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