Functional programming

本文主要介绍了什么是functional programming (简称FP)，FP有什么特点以及FP的优势，并澄清FP相关的一些概念。

什么是functional programming

我们都知道procedural programming（面向过程的编程）和object-oriented programming（面向对象的编程）这两种编程范式；而functional programming（函数式编程）则是一种新的编程范式。不过其实FP也算不上新的概念了，因为John Backus在1977年就提出了这个概念。

Wikipedia上的对functional programming的定义如下：

In computer science, functional programming is a programming paradigm—a style of building the structure and elements of computer programs—that treats computation as the evaluation of mathematical functions and avoids changing-state and mutable data

Function（函数）原本是数学上的一个概念，FP就是用数学上函数运算的思维方式来处理计算机编程问题。FP的一个重要的特点就是没有副作用（no side effect）。函数运算过程中不会修改任何状态，函数的计算结果只与输入参数相关，用相同的输入参数多次调用同一个函数，永远会得到相同的结果，因此FP具有幂等性（idempotent）。

零君以前写的一篇介绍HTTP协议中POST和PUT区别的文章，就提到了幂等（idempotent）这个概念。有兴趣的童鞋可以翻看历史文章。

declarative programming vs imperative programming

这两个概念虽然简单，但深刻理解这两个概念对于一个软件工程师来说至关重要，所以单独提出来强调一下。

declarative programming是指声明式编程，编程的思维方式是告诉程序要干什么。imperative programming是命令式编程，思维方式则是告诉程序具体怎么做。通常来说，声明式编程方式抽象程度更高，也更容易理解。

Functional programming就是一种声明式编程。

First-Class Function vs High-Order Function

有一些概念与Functional programming密切相关，限于篇幅，这里只介绍First-Class function和High-Order Function。

High-Order Function（高阶函数）是一个数学上的概念，而First-Class Function（一类实体函数）则是一个计算机中的概念。

实在想不出一个贴切的中文名词来表达First-Class Function，这里姑且称其为一类实体函数。

High-Order Function是指可以接受其它函数作为参数，或者将其它函数作为结果返回的函数。First-Class Function则是指可以像其它一类实体一样自由使用的函数。例如一个整数既可以作为函数的参数，也可以作为函数的返回值，那么First-class function同样既可以作为其它函数的参数，也可以作为函数的返回值。也就是其它一类实体（例如：整数）可以使用的地方，也可以使用First-Class Function。

Functional programming的优势

由于FP没有副作用，函数运算过程中不会修改任何状态的值，运算结果只依赖于输入参数。因此就可以安全的缓存中间计算结果，如果以后遇到相同的参数调用同一个函数，就可以直接返回缓存的结果，从而提高计算效率。

因为程序都是由一个个没有副作用的函数组成，所以程序的可测性也很好。

因为FP是declarative programming（声明式编程），因此程序容易理解，而且抽象程度高。这一点前面也提到过。

Functional programming示例

这里用几种编程语言简单演示一下如何使用经典的filter/map/reduce这些高阶函数的示例。假设有一个整数列表，现在要计算列表中小于10的整数的平方和。

Ruby

#!/usr/bin/ruby

vs = [1, 2, 3, 12, 20]

puts "#.map{|item| item * item}.reduce{|sum, item| sum += item}}"

Java

Java在JDK8中增加了对FP的支持，但要注意一点，虽然函数/lambda表达式可以作为参数或返回值，但是它们并不是与其它一类实体同等看待的，而是作为functional interface。

import java.util.List;

import java.util.ArrayList;

import java.util.Arrays;

public class functional {

public static void main(String[] args) {

List list = new ArrayList(Arrays.asList(1, 2, 3, 12, 20));

}

}

Golang

因为golang中没有现成filter/map/reduce实现，所以实现稍麻烦。这里就不贴源代码了，感兴趣的童鞋可以自行阅读：

https://github.com/ahrtr/go_functional

虽然上面列举了Ruby/Java/Golang的例子，但其实真正的functional programming language是下面这些：

Clojure

Elixir

Elm

F#

Haskell

Idris

Scala

展望

虽然FP概念很早就提出来了，而且也有不少FP的编程语言，在商业软件中也有一些应用，但与Java/C/C++/JavaScript这些语言比起来，流行程序明显就差一大截。FP更多的是存在于实验室环境中。

回顾历史，OOP(面向对象编程)模式后来居上，显然超过了面向过程的编程模式。而对于FP将来实际会如何发展，还很难说，毕竟这个概念很早就提出来了，而且也有了不少语言，但经过这么多年的发展，还是没有大规模流行起来。

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