浅学函数式编程

函数式编程.png

函数式编程基本概念

为什么学习函数式编程

• 函数式编程是随着 React 的流行受到越来越多的关注
• Vue3也开始拥抱函数式编程
• 函数式编程抛弃了this
• 打包过程中可以更好的利用tree shaking过滤代码
• 方便测试，方便并行处理
• 有很多库可以帮助我们开发：lodash、underscore、ramda

基本概念

函数式编程(Functional Programming, FP)，FP 是编程范式之一，我们常听说的编程范式还有面向过程编程、面向对象编程。
面向对象编程的思维方式：把现实世界中的事物抽象成程序世界中的类和对象，通过封装、继承和 多态来演示事物事件的联系
程序的本质：根据输入通过某种运算获得相应的输出、程序开发过程中会涉及很多有输入和输出的函数

• 函数式编程中的函数指的不是程序中的函数(方法)，而是数学中的函数即映射关系，例如：y =sin(x)，x和y的关系
• 函数式编程用来描述数据(函数)之间的映射
  x -> f(联系、映射) -> y、y=f(x)
• 函数式编程的思维方式：把现实世界的事物和事物之间的联系抽象到程序世界（对运算过程进行抽象）

函数是一等公民

• 函数可以存储在变量中
• 函数可以作为参数
• 函数可以作为返回值

高阶函数

基本概念

• 函数可以作为参数传递给另一个函数

// forEach 
 function forEach (array, fn) { 
   for (let i = 0; i < array.length; i++) { 
       fn(array[i]) 
   } 
 }
 // filter 
 function filter (array, fn) { 
 let results = [] 
 for (let i = 0; i < array.length; i++) { 
           if (fn(array[i])) { 
           results.push(array[i]) 
       } 
   }
   return results 
 }

• 可以把函数作为另一个函数的返回值

  function makeFn () { 
    let msg = 'Hello function' 
    return function () { 
        console.log(msg) 
    } 
  }
  const fn = makeFn() 
  fn() 
  // once 
  function once (fn) { 
    let done = false 
    return function () { 
        if (!done) { 
            done = true 
            return fn.apply(this, arguments) 
        } 
    } 
  }
  let pay = once(function (money) { 
    console.log(`支付：${money} RMB`) 
  })
  // 只会支付一次 
  pay(5) 
  pay(5) 
  pay(5)

高阶函数意义

• 抽象可以帮我们屏蔽细节，只需要关注我们的目标
• 抽象通用问题

// 面向过程的方式 
let array = [1, 2, 3, 4] 
for (let i = 0; i < array.length; i++) { 
    console.log(array[i]) 
}
// 高阶函数 
let array = [1, 2, 3, 4] 
forEach(array, item => { 
    console.log(item) 
})
let r = filter(array, item => { 
    return item % 2 === 0 
})

常用的高阶函数

• forEach
• map
• find/findindex
• reduce
• sort
• every
• some
• 。。。

  const map = (array, fn) => { 
    let results = [] 
    for (const value of array) { 
        results.push(fn(value)) 
    }
    return results 
  }

  const every = (array, fn) => { 
    let result = true 
    for (const value of array) { 
        result = fn(value) 
        if (!result) { 
            break 
        } 
    }
    return result 
  }


  const some = (array, fn) => { 
    let result = false 
    for (const value of array) { 
        result = fn(value) 
        if (result) { 
            break 
        } 
    }
    return result 
  }

闭包

// 函数作为返回值 
function makeFn () { 
    let msg = 'Hello function' 
    return function () { 
        console.log(msg) 
    } 
}
const fn = makeFn() 
fn()

• 概念：闭包是函数和其周围的状态（词法环境）的引用捆绑在一起形成闭包

• 表象：可以在另一个作用域中调用一个函数的内部函数并访问到该函数的作用域中的成员

• 本质：函数在执行的时候会被放到一个执行栈上、当函数执行完毕之后、会从调用栈移除、但是堆上的作用域成员因为被外部引用不能释放，因此内部函数依然可以访问到外部函数的成员。

// 生成计算数字的多少次幂的函数 
function makePower (power) { 
    return function (x) { 
        return Math.pow(x, power) 
    }
}
let power2 = makePower(2) 
let power3 = makePower(3) 
console.log(power2(4)) 
console.log(power3(4))

纯函数

纯函数概念

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5] 
// 纯函数 
numbers.slice(0, 3) 
// => [1, 2, 3] 
numbers.slice(0, 3) 
// => [1, 2, 3] 
numbers.slice(0, 3) 
// => [1, 2, 3]

// 不纯的函数 
numbers.splice(0, 3) 
// => [1, 2, 3] 
numbers.splice(0, 3) 
// => [4, 5] 
numbers.splice(0, 3) 
// => []

• 定义：相同的输入永远得到相同的输出，而且没有任何可观察的副作用
• 理解：纯函数类似于数学中的函数、用来描述输入输出的关系、y=f(x)
• 案例：lodash的fp模块提供了柯里化之后的纯函数
• 函数式编程（纯函数）不会保留中间结果、所以变量是不可变的（无状态的）
• 我们可以把一个纯函数的执行结果交给另一个函数去处理

为什么要使用纯函数

• 可缓存：因为纯函数对相同的输入有相同的输出结果、所以可以把结果缓存起来，提高性能

  模拟lodash的memoize函数
  function memoize (f) { 
    let cache = {} 
    return function () { 
    let arg_str=JSON.stringify(arguments) 
        cache[arg_str] = cache[arg_str] || f.apply(f, arguments) 
        return cache[arg_str] 
    } 
  }

• 可测试：纯函数让测试更加方便

• 并行执行

  1. 在多线程环境下并行操作共享的内存数据很可能出现意外情况、而纯函数不依赖外部共享数据
  2. 纯函数不需要访问内存数据、所以在并行环境下可以任意运行纯函数（Web Worker）

副作用的理解

// 不纯的 
let mini = 18 
function checkAge (age) { 
    return age >= mini 
}

// 纯的(有硬编码，后续可以通过柯里化解决) 
function checkAge (age) { 
    let mini = 18 
    return age >= mini 
}

• 副作用的来源
  • 依赖外部变量
  • 获取数据库
  • 获取用户输入
  • 发起ajax请求
  • 。。。

总结：如果依赖外部的状态就无法保证相同的输入得到相同的输出、且副作用使得方法的通用性下降、给程序带来不确定性，但是完全静止副作用是不可能的、尽量控制在可控范围内

柯里化（Curry）

// 普通纯函数 
function checkAge (min, age) { 
   return age >= min 
}
checkAge(18, 24) 
checkAge(18, 20) 
checkAge(20, 30) 
// 柯里化之后
let checkAge = min => (age => age >= min)
let checkAge18 = checkAge(18) 
let checkAge20 = checkAge(20) 
checkAge18(24)
checkAge18(20)

概念

• 当一个函数有多个参数的时候、先传递一部分参数调用它（这部分参数以后永远不变）
• 然后返回一个新的函数接受剩余的参数、返回结果

lodash中的柯里化函数_.curry(fn)

// 要柯里化的函数 
function getSum (a, b, c) { 
    return a + b + c 
}
// 柯里化后的函数 
let curried = _.lodash(getSum) 
// 测试 
curried(1, 2, 3) 
curried(1)(2)(3) 
curried(1, 2)(3)

• 功能：创建一个函数、该函数接收一个或多个 func 的参数、如果 func 所需要的参数都被提
  供则执行 func 并返回执行的结果；否则继续返回该函数并等待接收剩余的参数。
• 参数：需要柯里化的函数
  返回值：柯里化后的函数
• 柯里化函数实现原理

  function curry (func) { 
    return function curriedFn (...args) { 
  // 判断实参和形参的个数 
        if (args.length < func.length) { 
            return function () {
                return
  curriedFn(...args.concat(Array.from(arguments))) 
            } 
        }
  // 实参和形参个数相同，调用 func，返回结果 
        return func(...args) 
    } 
  }

总结

• 柯里化可以让我们给一个函数传递较少的参数得到一个已经记住了某些固定参数的新函数
• 这是一种对函数参数的'缓存'（闭包思想）
• 让函数变的更灵活、让函数的粒度更小
• 可以把多元函数转换成一元函数、可以函数组合使用函数产生强大的功能

函数组合

// 组合函数 
function compose (f, g) { 
    return function (x) { 
        return f(g(x)) 
    } 
}
function first (arr) { 
    return arr[0] 
}
function reverse (arr) { 
    return arr.reverse() 
}
// 从右到左运行 
let last = compose(first, reverse) 
console.log(last([1, 2, 3, 4]))

为什么要函数组合

• 纯函数和柯里化很容易写出洋葱代码 h(g(f(x)))、例如：获取数组的最后一个元素再转换成大写字母， .toUpper(.last(arry))
• 函数组合可以让我们把细粒度的函数重新组合生成一个新的函数、例如：fn = compose(f1, f2, f3)

管道思想

• 函数组合就是管道的思想、当 一个管道很长的时候、我们可以把管道中拆分成多个小节，每一小节相等的输入产生相等的输出。也可参考React组件思想

概念

• 定义：如果一个函数要经过多个函数处理才能得到最终值，这个时候可以把中间
  过程的函数合并成一个函数
• 理解：函数就像是数据的管道，函数组合就是把这些管道连接起来，让数据穿过多个管道形成最终结果

特性

• 函数组合要求被组合函数是柯里化之后的函数
• 被组合的函数参数要满足条件（或者回调）在前，数据在后

  const _ = require('lodash') 
  const trace = _.curry((tag, v) => { 
  console.log(tag, v) 
  return v 
  })
  const split = _.curry((sep, str) => _.split(str, sep)) 
  const join = _.curry((sep, array) => _.join(array, sep)) 
  const map = _.curry((fn, array) => _.map(array, fn)) 
  const f = _.flowRight(join('-'),trace('map 之后'), map(_.toLower), trace('split 之后'), split(' ')) 
  console.log(f('NEVER SAY DIE'))

• 函数组合默认是从右到左执行、且满足结合律

  // 结合律 

  const _ = require('lodash') 
  // const f = _.flowRight(_.toUpper, _.first, _.reverse) 
  // const f = _.flowRight(_.flowRight(_.toUpper, _.first), _.reverse) 
  const f = _.flowRight(_.toUpper, _.flowRight(_.first, _.reverse)) 
  console.log(f(['one', 'two', 'three'])) 
  // => THREE

函数组合实现原理

// ES6 
const compose = (...fns) => value =>    fns.reverse().reduce((acc, fn) => fn(acc), 
value)
// ES5
function compose (...fns) { 
    return function (value) { 
        return fns.reverse().reduce(function (acc, fn) { 
        return fn(acc) 
        }, value) 
    } 
}

Point Free

• 所谓Point Free 就是把数据处理的过程定义成与数据无关的合成运算，不需要用到代表数据的那个参数，只要把简单的运算步骤合成到一起，在使用这种模式之前我们需要定义一些辅助的基本运算函数。

// 非 Point Free 模式 
// Hello World => hello_world 
function f (word) { 
    return word.toLowerCase().replace(/\s+/g, '_'); 
}
// Point Free 
const fp = require('lodash/fp') 
const f = fp.flowRight(fp.replace(/\s+/g, '_'), fp.toLower) 
console.log(f('Hello World'))

Functor（函子）

概念

// 一个容器，包裹一个值 
class Container { 
// of 静态方法，可以省略 new 关键字创建对象 
static of (value) { 
return new Container(value) 
}
constructor (value) { 
this._value = value 
}
// map 方法，传入变形关系，将容器里的每一个值映射到另一个容器 
map (fn) { 
return Container.of(fn(this._value)) 
} 
}
// 测试 
Container.of(3) 
.map(x => x + 2) 
.map(x => x * x)

• 容器：包含值和值的变形关系(这个变形关系就是函数)
• 函子：是一个特殊的容器，通过一个普通的对象来实现，该对象具有 map 方法，map 方法可以运行一个函数对值进行处理(变形关系)
• 作用：函数式编程中函子作用就是把副作用控制在可控的范围内、异常处理、异步操作等。

MayBe 函子

class MayBe { 
static of (value) { 
return new MayBe(value) 
}
constructor (value) { 
this._value = value 
}
// 如果对空值变形的话直接返回 值为 null 的函子 
map (fn) { 
return this.isNothing() ? MayBe.of(null) : MayBe.of(fn(this._value)) 
}
isNothing () { 
return this._value === null || this._value === undefined 
} 
}
// 传入具体值 
MayBe.of('Hello World') 
.map(x => x.toUpperCase()) 
// 传入 null 的情况 
MayBe.of(null) 
.map(x => x.toUpperCase()) 
// => MayBe { _value: null }

• 作用：MayBe 函子的就是可以对外部的空值情况做处理

Either 函子

class Left { 
static of (value) { 
return new Left(value) 
}
constructor (value) { 
this._value = value 
}
map (fn) { 
return this 
} 
}
class Right { 
static of (value) { 
return new Right(value)
}
constructor (value) { 
this._value = value 
}
map(fn) { 
return Right.of(fn(this._value)) 
} 
}
function parseJSON(json) { 
try { 
return Right.of(JSON.parse(json)); 
} catch (e) { 
return Left.of({ error: e.message}); 
} 
}
// Either 用来处理异常
let r = parseJSON('{ "name": "zs" }') 
.map(x => x.name.toUpperCase()) 
console.log(r)

• 作用： 异常会让函数变的不纯、Either 函子可以用来做异常处理

IO 函子

const fp = require('lodash/fp') 
class IO { 
static of (x) { 
return new IO(function () { 
return x 
}) 
}
constructor (fn) { 
this._value = fn 
}
map (fn) { 
// 把当前的 value 和 传入的 fn 组合成一个新的函数 
return new IO(fp.flowRight(fn, this._value)) 
} 
}
// 调用 
let io = IO.of(process).map(p => p.execPath) 
console.log(io._value())

• IO 函子中的 _value 是一个函数，这里是把函数作为值来处理
• IO 函子可以把不纯的动作存储到 _value 中，延迟执行这个不纯的操作(惰性执行)，包装当前的纯操作
• 把不纯的操作交给调用者来处理

Pointed 函子

class Container { 
static of (value) { 
return new Container(value) 
}
…… 
}
Contanier.of(2) 
.map(x => x + 5)

• Pointed 函子是实现了 of 静态方法的函子
• of 方法是为了避免使用 new 来创建对象，更深层的含义是 of 方法用来把值放到上下文
  Context（把值放到容器中，使用 map 来处理值）

Monad 函子

const fp = require('lodash/fp') 
// IO Monad 
class IO { 
static of (x) { 
return new IO(function () { 
return x 
}) 
}
constructor (fn) { 
this._value = fn 
}
map (fn) { 
return new IO(fp.flowRight(fn, this._value)) 
}
join () { 
return this._value() 
}
flatMap (fn) { 
return this.map(fn).join() 
} 
}
let r = readFile('package.json') 
.map(fp.toUpper) 
.flatMap(

• Monad 函子是可以变扁的 Pointed 函子，IO(IO(x))
• 一个函子如果具有 join 和 of 两个方法并遵守一些定律就是一个 Monad

Task 函子（folktale库）

const { task } = require('folktale/concurrency/task') 
function readFile(filename) { 
return task(resolver => { 
fs.readFile(filename, 'utf-8', (err, data) => { 
if (err) resolver.reject(err) 
resolver.resolve(data) 
}) 
}) 
}
// 调用 run 执行 
readFile('package.json') 
.map(split('\n')) 
.map(find(x => x.includes('version'))) 
.run().listen({ 
onRejected: err => { 
console.log(err) 
},
onResolved: value => { 
console.log(value) 
} 
})

• 异步任务在Tast函子中的实际案例

总结

• 函数式编程的运算不直接操作值，而是由函子完成
• 函子就是一个实现了 map 契约的对象
• 我们可以把函子想象成一个盒子、这个盒子里封装了一个值
• 想要处理盒子中的值，我们需要给盒子的 map 方法传递一个处理值的函数（纯函数）、由这个函数来对值进行处理
• 最终 map 方法返回一个包含新值的盒子（函子）

参考文献

• 函数式编程指北

• 函数式编程入门

• Pointfree 编程风格指南

• 图解Monad

• Functors, Applicatives, And Monads In Pictures