函数式编程
什么是函数式编程
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。
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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
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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）
- 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
- x -> f(联系、映射) -> y，y=f(x)
- 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
- 相同的输入始终要得到相同的输出(纯函数)
- 函数式编程用来描述数据(函数)之间的映射
// 非函数式 面向过程编程，一步一步根据逻辑过程进行编码
let num1 = 2
let num2 = 3
let sum = num1 + num2
console.log(sum)
// 函数式 通过数学映射关系对逻辑进行抽象
function add (n1, n2) {
return n1 + n2
}
let sum = add(2, 3)
console.log(sum)
函数是一等公民
- 函数可以存储在变量中
- 函数作为参数
- 函数作为返回值
在 JavaScript 中函数就是一个普通的对象 (可以通过 new Function() )，我们可以把函数存储到变量/
数组中，它还可以作为另一个函数的参数和返回值。
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把函数赋值给变量
// 把函数赋值给变量 let fn = function () { console.log('Hello First-class Function') } fn() // 一个示例 const BlogController = { index (posts) { return Views.index(posts) }, show (post) { return Views.show(post) }, create (attrs) { return Db.create(attrs) }, update (post, attrs) { return Db.update(post, attrs) }, destroy (post) { return Db.destroy(post) } } // 优化 里层函数的返回值即外层函数的返回值 const BlogController = { index: Views.index, show: Views.show, create: Db.create, update: Db.update, destroy: Db.destroy } -
函数是一等公民是高阶函数、柯里化等的基础。
高阶函数
什么是高阶函数
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高阶函数 (Higher-order function)
- 可以把函数作为参数传递给另一个函数
- 可以把函数作为另一个函数的返回结果
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使用高阶函数的意义
- 抽象可以帮我们屏蔽细节，只需要关注与我们的目标
- 高阶函数是用来抽象通用的问题
闭包
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闭包 (Closure)：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。
- 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
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闭包的本质：函数在执行的时候会放到一个执行栈上当函数执行完毕之后会从执行栈上移除，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外部函数的成员
// 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实际上就是once内的闭包函数function。once是其内部function的父函数，而该function被赋给了一个全局变量，这导致它始终在内存中，而这个function的存在依赖于once，因此once始终在内存中，不会在调用结束后，被垃圾回收机制回收，所以done这个变量始终会缓存于内存中。
- 闭包就是能够读取其他函数内部变量的函数。
- 由于在Javascript语言中，只有函数内部的子函数才能读取局部变量，因此可以把闭包简单理解成"定义在一个函数内部的函数"。所以，在本质上，闭包就是将函数内部和函数外部连接起来的一座桥梁。
- 它的最大用处有两个，一个是可以读取函数内部的变量，另一个就是让这些变量的值始终保持在内存中。
纯函数
纯函数概念
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纯函数：相同的输入永远会得到相同的输出，而且没有任何可观察的副作用
- 纯函数就类似数学中的函数(用来描述输入和输出之间的关系)，y = f(x)
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lodash 是一个纯函数的功能库，提供了对数组、数字、对象、字符串、函数等操作的一些方法
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数组的 slice 和 splice 分别是：纯函数和不纯的函数
- slice 返回数组中的指定部分，不会改变原数组
- splice 对数组进行操作返回该数组，会改变原数组
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)
// => []
- 函数式编程不会保留计算中间的结果，所以变量是不可变的（无状态的）
- 我们可以把一个函数的执行结果交给另一个函数去处理
纯函数的好处
- 可缓存
- 因为纯函数对相同的输入始终有相同的结果，所以可以把纯函数的结果缓存起来
const _ = require('lodash')
function getArea (r) {
return Math.PI * r * r
}
let getAreaWithMemory = _.memoize(getArea)
console.log(getAreaWithMemory(4))
//手动实现memoize函数 实现缓存功能
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
- 纯函数让测试更方便
- 并行处理
- 在多线程环境下并行操作共享的内存数据很可能会出现意外情况
- 纯函数不需要访问共享的内存数据，所以在并行环境下可以任意运行纯函数 (Web Worker)
副作用
- 纯函数：对于相同的输入永远会得到相同的输出，而且没有任何可观察的副作用
// 不纯的
let mini = 18
function checkAge (age) {
return age >= mini
}
// 纯的(有硬编码，可以通过柯里化解决)
function checkAge (age) {
let mini = 18
return age >= mini
}
副作用让一个函数变的不纯(如上例)，纯函数的根据相同的输入返回相同的输出，如果函数依赖于外部的状态就无法保证输出相同，就会带来副作用。
副作用来源：配置文件、数据库、获取用户的输入…
所有的外部交互都有可能带来副作用，副作用也使得方法通用性下降不适合扩展和可重用性，同时副作用会给程序中带来安全隐患给程序带来不确定性，但是副作用不可能完全禁止，尽可能控制它们在可控范围内发生。
柯里化 (Haskell Brooks Curry)
- 使用柯里化解决上一个案例中硬编码的问题
function checkAge (age) {
let min = 18
return age >= min
}
// 普通纯函数 该纯函数每次都需要根据需求传两个值，且无法复用
function checkAge (min, age) {
return age >= min
}
checkAge(18, 24)
checkAge(18, 20)
checkAge(20, 30)
// 柯里化
function checkAge (min) {
return function (age) {
return age >= min
}
}
// ES6 写法
// min输入参数 return 一个function，该function的输入参数是age，return age>=min
let checkAge = min => (age => age >= min)
let checkAge18 = checkAge(18)
let checkAge20 = checkAge(20)
checkAge18(24)
checkAge18(20)
- 柯里化 (Currying)
- 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收剩余的参数，返回结果
lodash 中的柯里化函数
- _.curry(func)
- 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
const _ = require('lodash')
// 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 = _.curry(getSum)
// 测试
curried(1, 2, 3)
curried(1)(2)(3)
curried(1, 2)(3)
- 案例
const _ = require('lodash')
//正则字符串匹配
const match = _.curry(function (reg, str) {
return str.match(reg)
})
const haveSpace = match(/\s+/g)
const haveNumber = match(/\d+/g)
console.log(haveSpace('hello world'))
console.log(haveNumber('25$'))
//过滤
const filter = _.curry(function (func, array) {
return array.filter(func)
})
console.log(filter(haveSpace, ['John Connor', 'John_Donne']))
const findSpace = filter(haveSpace)
console.log(findSpace(['John Connor', 'John_Donne']))
- 模拟 _.curry() 的实现
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’
- 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，可以组合使用函数产生强大的功能
函数组合
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纯函数和柯里化很容易写出洋葱代码 h(g(f(x)))
- 获取数组的最后一个元素再转换成大写字母， .toUpper(.first(_.reverse(array)))
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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
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函数组合 (compose)：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
- 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
- 函数组合默认是从右到左执行
// 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]))
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lodash 中的组合函数
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lodash 中组合函数 flow() 或者 flowRight()，他们都可以组合多个函数
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flow() 是从左到右运行
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flowRight() 是从右到左运行，使用的更多一些
const _ = require('lodash')
const toUpper = s => s.toUpperCase()
const reverse = arr => arr.reverse()
const first = arr => arr[0]
const f = _.flowRight(toUpper, first, reverse)
console.log(f(['one', 'two', 'three']))
- 模拟实现 lodash 的 flowRight 方法
// 多函数组合
function compose (...fns) {
return function (value) {
return fns.reverse().reduce(function (acc, fn) {
return fn(acc)
}, value)
}
}
// ES6
const compose = (...fns) => value => fns.reverse().reduce((acc, fn) =>
fn(acc), value)
//reduce() 方法接收一个函数作为累加器，数组中的每个值（从左到右）开始缩减，最终计算为一个值。
- 函数的组合要满足结合律 (associativity)
调试
- 如何调试组合函数
const _ = require('lodash')
//创建一个有log的trace，通过console进行调试
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'))
lodash/fp
- lodash 的 fp 模块提供了实用的对函数式编程友好的方法
- 提供了不可变 auto-curried iteratee-fifirst data-last 的方法（函数置先，数据置后）
// lodash 模块
const _ = require('lodash')
//lodash 数据置先，函数置后
_.map(['a', 'b', 'c'], _.toUpper)
// => ['A', 'B', 'C']
_.map(['a', 'b', 'c'])
// => ['a', 'b', 'c']
_.split('Hello World', ' ')
// lodash/fp 模块
const fp = require('lodash/fp')
fp.map(fp.toUpper, ['a', 'b', 'c'])
fp.map(fp.toUpper)(['a', 'b', 'c'])
fp.split(' ', 'Hello World')
fp.split(' ')('Hello World')
- 使用者可以不用关心具体调用了哪个函数，每个函数可以随意组合调整。
const fp = require('lodash/fp')
const f = fp.flowRight(fp.join('-'), fp.map(_.toLower), fp.split(' '))
console.log(f('NEVER SAY DIE'))
Point Free
Point Free：我们可以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。
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不需要指明处理的数据
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只需要合成运算过程
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需要定义一些辅助的基本运算函数
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案例演示
// 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'))
//使用 Point Free 的模式，把单词中的首字母提取并转换成大写
const fp = require('lodash/fp')
// const firstLetterToUpper = fp.flowRight(fp.join('. '), fp.map(fp.first), fp.map(fp.toUpper), fp.split(' '))
//可以将两个map方法进行函数组合从而只需一次对字符串的遍历
const firstLetterToUpper = fp.flowRight(join('. '),
fp.map(fp.flowRight(fp.first, fp.toUpper)), split(' '))
console.log(firstLetterToUpper('world wild web'))
// => W. W. W
Functor (函子)
在函数式编程中函子可以把副作用控制在可控的范围内、异常处理、异步操作等。
什么是 Functor
- 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)
Functor函子
// 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)
- 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）
- 在 Functor 中如果我们传入 null 或 undefifined
// 值如果不小心传入了空值(副作用)
Container.of(null)
.map(x => x.toUpperCase())
// TypeError: Cannot read property 'toUpperCase' of null
MayBe函子
- 我们在编程的过程中可能会遇到很多错误，需要对这些错误做相应的处理
- MayBe 函子的作用就是可以对外部的空值情况做处理（控制副作用在允许的范围）
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 }
- 在 MayBe 函子中，我们很难确认是哪一步产生的空值问题，如下例：
MayBe.of('hello world')
.map(x => x.toUpperCase())
.map(x => null)
.map(x => x.split(' '))
// => MayBe { _value: null }
Either函子
- Either 两者中的任何一个，类似于 if…else…的处理
- 异常会让函数变的不纯，Either 函子可以用来做异常处理
//Left直接返回原来的函子，用来捕捉异常，Right用来在没有异常的时候执行输入的fn并返回一个函子。
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))
}
}
//例如传入一个会报错的JSON对象和正常的JSON对象
function parseJSON (str) {
try {
return Right.of(JSON.parse(str))
} catch (e) {
return Left.of({ error: e.message })
}
}
// let r = parseJSON('{ name: zs }')
// console.log(r)
let r = parseJSON('{ "name": "zs" }')
.map(x => x.name.toUpperCase())
console.log(r)
IO函子
- 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)，保证当前的操作纯
- 把不纯的操作交给调用者来处理
// IO 函子
const fp = require('lodash/fp')
class IO {
static of (value) {
return new IO(function () {
return value
})
}
constructor (fn) {
this._value = fn
}
map (fn) {
return new IO(fp.flowRight(fn, this._value))
}
}
// 调用
let r = IO.of(process).map(p => p.execPath)
// console.log(r)
console.log(r._value())
Task异步执行
-
folktale 一个标准的函数式编程库
- 和 lodash、ramda 不同的是，他没有提供很多功能函数只提供了一些函数式处理的操作，例如：compose、curry 等，一些函子 Task、Either、 MayBe 等
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Task 异步执行
// Task 处理异步任务
const fs = require('fs')
const { task } = require('folktale/concurrency/task')
const { split, find } = require('lodash/fp')
function readFile (filename) {
return task(resolver => {
fs.readFile(filename, 'utf-8', (err, data) => {
if (err) resolver.reject(err)
resolver.resolve(data)
})
})
}
readFile('package.json')
.map(split('\n'))
.map(find(x => x.includes('version')))
.run()
.listen({
onRejected: err => {
console.log(err)
},
onResolved: value => {
console.log(value)
}
})
Pointed函子
- 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）
使用of静态方法实现的函子就是Pointed函子！避免使用new创建对象的同时把值放到上下文context（context就是返回的new Container这个函子返回的函子就叫做上下文，一个概念）。用静态方法of的时候可以使用map来处理值就像直接new一样，在调用的时候不需要new一下的操作。（静态方法和实例方法的区别嘛）
//与Functor函子一致
class Container {
static of (value) {
return new Container(value)
}
……
}
Contanier.of(2) .map(x => x + 5)
Monad（单子）
// IO 函子的问题 多次调用IO函子的时候需要._value._value两次来获取值，因为IO函子嵌套调用会返回函子嵌套。形象的说就是函子变扁了
const fs = require('fs')
const fp = require('lodash/fp')
class IO {
static of (value) {
return new IO(function () {
return value
})
}
constructor (fn) {
this._value = fn
}
map (fn) {
return new IO(fp.flowRight(fn, this._value))
}
}
let readFile = function (filename) {
return new IO(function () {
return fs.readFileSync(filename, 'utf-8')
})
}
let print = function (x) {
return new IO(function () {
console.log(x)
return x
})
}
let cat = fp.flowRight(print, readFile)
// IO(IO(x))
let r = cat('package.json')._value()._value()
console.log(r)
- 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
// IO Monad
//monad函子一般有join和of两个方法。join就return this._*value这样就解决了两次._*value的问题了！然后把join方法和map方法合并成一个flatMap，这样IO返回的函子就不会嵌套了。相当于自动添加了一个._*value。
const fs = require('fs')
const fp = require('lodash/fp')
class IO {
static of (value) {
return new IO(function () {
return value
})
}
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 readFile = function (filename) {
return new IO(function () {
return fs.readFileSync(filename, 'utf-8')
})
}
let print = function (x) {
return new IO(function () {
console.log(x)
return x
})
}
let r = readFile('package.json')
// .map(x => x.toUpperCase())
.map(fp.toUpper)
.flatMap(print)
.join()
console.log(r)