对编程范式的简单思考

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编程最重要的事情，其实是让写出来的符号，能够简单地对实际或者想象出来的“世界”进行建模。一个程序员最重要的能力，是直觉地看见符号和现实物体之间的对应关系。 —— 王垠

为什么要写这篇文章 TL;DR

#1

一位朋友曾经曾经和我说：“千万别和不知道回调函数的人，解释什么是回调函数”。（见 如何浅显的解释回调函数）我本以为回调函数(callback function)是一个非常简单的概念，但和许多刚入门编程的人解释这个概念的时候，他们都觉得很费解。

直到现在，我才发现，原来要理解回调函数，就需要先接受 函数是一等公民(first-class function)的事实（函数和数据一样都可以被存储、传递），然后理解 高阶函数(higher-order function)的概念（函数可以作为参数传递到另一个函数里）。

这对于没有接触过函数式的人来说，简直是世界观的颠覆：

面向过程里，数据是数据、操作是操作

面向对象里，数据和操作放到对象里，属于对象的一部分

#2

为了批判面向对象里 “操作必须放到对象里” 的回调思想，写了一篇文章 回调 vs 接口（后来读到 陈硕 也有一篇类似的文章 以boost::function和boost:bind取代虚函数），但境界还不够，一直没有发现这个问题的本质——函数式 vs 面向对象。

#3

之前我也跟风写过一篇 高阶函数：消除循环和临时变量，讲的是如何使用 //// 之类的高阶函数。现在想才明白了问题的本质—— 使用函数式的方法，实现面向对象的 内部迭代(internal iteration)（属于 迭代器模式(iterator pattern)的一种），从而消除循环和迭代器临时变量。

#4

最近终于读懂了几篇 王垠的博客，大概能理解了文章的思想（虽然比较偏激，但论述非常严谨）：

解密“设计模式”：批判（面向对象）设计模式（备份）

Purely functional languages and monads：批判“纯”函数式（备份）

编程的宗派：批判“纯”面向对象、“纯”函数式 和 说“各有各的好处”的“好好先生”（备份）

在《解密“设计模式”》提到，面向对象的 “设计模式” 是为了解决 “一切皆对象” 思想导致的问题。即使是 Erich Gamma（设计模式作者之一）粉丝的我，也深有感触：

由于 函数不是一等公民、不支持高阶函数，我们需要 创建型模式(creational patterns)（两种工厂、原型、创建者）

由于 不支持闭包、数据必须放到对象里，我们需要 结构型模式(structural patterns)（适配器、桥接、组合、装饰器、代理）

由于 操作必须放到对象里，我们需要 行为型模式(behavioral patterns)（命令、责任链、观察者、中介者、状态、策略、模板方法、迭代器、访问者、解释器）

Happy Coding

(by Erich Gamma)

本文总结一下自己的一些体会，并用一个例子加以阐述。

三种范式

我只接触过的三种 编程范式(programming paradigm)：

面向过程(procedural programming)

面向对象(object-oriented programming)

函数式(functional programming)

面向过程

Algorithms + Data Structures = Programs（算法 + 数据结构 = 程序）—— Niklaus Wirth

数据和计算是两个不同的角色：

数据存储了程序运行的状态

计算 通过修改数据，变换运行的状态

参考：图灵机(Turing machine)

面向对象

封装(encapsulation)：将数据和计算放到一起，并引入访问控制

继承(inheritance)：共享数据和计算，避免冗余

多态(polymorphism)：派发同一个消息（调用同一个方法），实现不同的操作（核心）

参考：浅谈面向对象编程

函数式

由于数据是有状态的(stateful)，而计算是无状态的(stateless)；所以需要将数据绑定(bind)到函数上，得到“有状态”的函数，即 闭包(closure)。通过构造、传递、调用 闭包，实现复杂的功能组合。

参考：λ 演算(lambda calculus)

例子：运行时动态选择计算操作

用 C++ 模拟一个简单的编辑器，点击界面上不同的按钮，执行不同的操作，并讨论各个范式如何在运行时动态选择计算操作（很简单，点击“新建”则新建文件，点击“打开”则打开文件，点击“保存”则保存文件）：

新建打开保存

在程序的系统内：

点击事件的发送者是各个按钮

点击事件的接收者是程序所操作的文件

面向过程

代码链接

定义文件数据结构（用一个 封装起来）：

定义文件操作（传递数据进行操作，返回 表示是否成功）：

（点击事件的接收者）定义文件数据（实例化数据结构，存储程序的运行状态）：

（点击事件的发送者）定义如何操作数据（跟据不同的 修改数据 ，选择不同的操作，变换程序的运行状态）：

上边代码的主要问题是：事件的发送者直接依赖事件的接收者，即点击时直接用 调用 函数。这导致按钮不能复用：如果按钮点击后执行其他操作，就需要继续添加 语句。

为了让代码更灵活，我们可以使用面向对象的方法。

面向对象

代码链接

定义文件类(class)（将文件的数据和操作封装到一起，分别作为类的字段和方法；引入访问控制，隐藏数据，暴露操作；并通过异常(exception)表示是否成功）：

定义命令接口 （利用 命令模式(command pattern)，消除点击事件的接收者和发送者之间的依赖）：

定义新建/打开/保存文件对应的实际命令 （实现 接口，执行实际的操作；存储上下文(context)数据，并在执行操作时使用）：

（点击事件的接收者）定义文件对象(object)（实例化类，存储对应的数据和操作）：

（在点击事件的接收者和发送者之间）定义中间层(indirection)（将点击事件的接收者 传入 的上下文；并利用 依赖注入(dependency injection)的方法，为不同的 分配不同的 ）：

（点击事件的发送者）定义如何操作数据（通过中间层派发消息，利用多态机制，动态选择具体执行的操作）：

在点击保存按钮时，消息的传递流程是：

命令模式最核心的地方就是：事件的发送者 发送 消息给 ，对于不同类型的 对象，会执行不同的操作，从而实现动态选择行为。这样，事件的发送者不依赖于事件的接收者 —— 按钮不关心自己被点击之后执行什么操作，照着命令去做就行。

为了解耦(decouple)事件的发送者和接收者，面向对象就引入了好几种不同的 设计行为型模式(behavioral patterns)。

这代码还可以化简吗？可以，用函数式的方法化简！

函数式

代码链接

复用上一个例子的文件类和对象（点击事件的接收者）。

重新定义 （将命令定义为一个函数）：

利用新的 定义类似的中间层（将 作为上下文构造闭包，再分配给各个 ）：

（点击事件的发送者）重新定义如何操作数据（通过中间层选择函数，并执行对应的函数）：

和面向对象方法的区别在于：

面向对象 把数据和操作放到对象里

函数式 把数据和计算放到 lambda 里

对于 C++，上面的代码本质上是通过面向对象实现的：

是基于带有 抽象类，在构造时利用泛型技巧，抹除传入的 可调用(callable)对象的类型，仅保留调用的签名（原理 / 代码）

lambda 表达式 会被编译为带有 的类，并构造时捕获当前的上下文（类似前面的 ）；可以传入 封装为更抽象的可调用对象

写在最后

一切并不都是“对象”，一切也并不都是“函数”。最简单明了的，才是最好的。

有些东西本来就是有随时间变化的“状态”的，如果你偏要用“纯函数式”语言去描述它，当然你就进入了那些 monad 之类的死胡同。 ... 如果你进入另一个极端，一定要用对象来表达本来很纯的数学函数，那么你一样会把简单的问题搞复杂。 —— 王垠

本文仅是我的一些个人理解。如果有什么问题，欢迎交流。

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