JavaScript函数式编程

转载,原文:https://zhuanlan.zhihu.com/p/21714695

一、引言

说到函数式编程,大家可能第一印象都是学院派的那些晦涩难懂的代码,充满了一大堆抽象的不知所云的符号,似乎只有大学里的计算机教授才会使用这些东西。在曾经的某个时代可能确实如此,但是近年来随着技术的发展,函数式编程已经在实际生产中发挥巨大的作用了,越来越多的语言开始加入闭包,匿名函数等非常典型的函数式编程的特性,从某种程度上来讲,函数式编程正在逐步“同化”命令式编程。

JavaScript 作为一种典型的多范式编程语言,这两年随着React的火热,函数式编程的概念也开始流行起来,RxJS、cycleJS、lodashJS、underscoreJS等多种开源库都使用了函数式的特性。所以下面介绍一些函数式编程的知识和概念。

二、纯函数

如果你还记得一些初中的数学知识的话,函数 f 的概念就是,对于输入 x 产生一个输出 y = f(x)。这便是一种最简单的纯函数。纯函数的定义是,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,也不依赖外部环境的状态。

下面来举个栗子,比如在Javascript中对于数组的操作,有些是纯的,有些就不是纯的:

var arr = [1,2,3,4,5];

// Array.slice是纯函数,因为它没有副作用,对于固定的输入,输出总是固定的
// 可以,这很函数式
xs.slice(0,3);
//=> [1,2,3]
xs.slice(0,3);
//=> [1,2,3]

// Array.splice是不纯的,它有副作用,对于固定的输入,输出不是固定的
// 这不函数式
xs.splice(0,3);
//=> [1,2,3]
xs.splice(0,3);
//=> [4,5]
xs.splice(0,3);
//=> []

在函数式编程中,我们想要的是 slice 这样的纯函数,而不是 splice这种每次调用后都会把数据弄得一团乱的函数。

为什么函数式编程会排斥不纯的函数呢?下面再看一个例子:

//不纯的
var min = 18;
var checkage = age => age > min;

//纯的,这很函数式
var checkage = age => age > 18;

在不纯的版本中,checkage 这个函数的行为不仅取决于输入的参数 age,还取决于一个外部的变量 min,换句话说,这个函数的行为需要由外部的系统环境决定。对于大型系统来说,这种对于外部状态的依赖是造成系统复杂性大大提高的主要原因。

可以注意到,纯的 checkage 把关键数字 18 硬编码在函数内部,扩展性比较差,我们可以在后面的柯里化中看到如何用优雅的函数式解决这种问题。

纯函数不仅可以有效降低系统的复杂度,还有很多很棒的特性,比如可缓存性:

import _ from 'lodash';
var sin = _.memorize(x => Math.sin(x));

//第一次计算的时候会稍慢一点
var a = sin(1);

//第二次有了缓存,速度极快
var b = sin(1);

 

三、函数的柯里化

函数柯里化(curry)的定义很简单:传递给函数一部分参数来调用它,让它返回一个函数去处理剩下的参数。

比如对于加法函数 var add = (x, y) => x + y ,我们可以这样进行柯里化:

//比较容易读懂的ES5写法
var add = function(x){
    return function(y){
        return x + y
    }
}

//ES6写法,也是比较正统的函数式写法
var add = x => (y => x + y);

//试试看
var add2 = add(2);
var add200 = add(200);

add2(2); // =>4
add200(50); // =>250

对于加法这种极其简单的函数来说,柯里化并没有什么大用处。

还记得上面那个 checkage 的函数吗?我们可以这样柯里化它:

var checkage = min => (age => age > min);
var checkage18 = checkage(18);
checkage18(20);
// =>true

事实上柯里化是一种“预加载”函数的方法,通过传递较少的参数,得到一个已经记住了这些参数的新函数,某种意义上讲,这是一种对参数的“缓存”,是一种非常高效的编写函数的方法:

import { curry } from 'lodash';

//首先柯里化两个纯函数
var match = curry((reg, str) => str.match(reg));
var filter = curry((f, arr) => arr.filter(f));

//判断字符串里有没有空格
var haveSpace = match(/\s+/g);

haveSpace("ffffffff");
//=>null

haveSpace("a b");
//=>[" "]

filter(haveSpace, ["abcdefg", "Hello World"]);
//=>["Hello world"]

 

四、函数组合

学会了使用纯函数以及如何把它柯里化之后,我们会很容易写出这样的“包菜式”代码:

h(g(f(x)));

虽然这也是函数式的代码,但它依然存在某种意义上的“不优雅”。为了解决函数嵌套的问题,我们需要用到“函数组合”:

//两个函数的组合
var compose = function(f, g) {
    return function(x) {
        return f(g(x));
    };
};

//或者
var compose = (f, g) => (x => f(g(x)));

var add1 = x => x + 1;
var mul5 = x => x * 5;

compose(mul5, add1)(2);
// =>15 

我们定义的compose就像双面胶一样,可以把任何两个纯函数结合到一起。当然你也可以扩展出组合三个函数的“三面胶”,甚至“四面胶”“N面胶”。

这种灵活的组合可以让我们像拼积木一样来组合函数式的代码:

var first = arr => arr[0];
var reverse = arr => arr.reverse();

var last = compose(first, reverse);

last([1,2,3,4,5]);
// =>5

 

五、Point Free

有了柯里化和函数组合的基础知识,下面介绍一下Point Free这种代码风格。

细心的话你可能会注意到,之前的代码中我们总是喜欢把一些对象自带的方法转化成纯函数:

var map = (f, arr) => arr.map(f);

var toUpperCase = word => word.toUpperCase();

这种做法是有原因的。

Point Free这种模式现在还暂且没有中文的翻译,有兴趣的话可以看看这里的英文解释:

en.wikipedia.org/wiki/T

用中文解释的话大概就是,不要命名转瞬即逝的中间变量,比如:

//这不Piont free
var f = str => str.toUpperCase().split(' ');

这个函数中,我们使用了 str 作为我们的中间变量,但这个中间变量除了让代码变得长了一点以外是毫无意义的。下面改造一下这段代码:

var toUpperCase = word => word.toUpperCase();
var split = x => (str => str.split(x));

var f = compose(split(' '), toUpperCase);

f("abcd efgh");
// =>["ABCD", "EFGH"]

这种风格能够帮助我们减少不必要的命名,让代码保持简洁和通用。当然,为了在一些函数中写出Point Free的风格,在代码的其它地方必然是不那么Point Free的,这个地方需要自己取舍。

六、声明式与命令式代码

命令式代码的意思就是,我们通过编写一条又一条指令去让计算机执行一些动作,这其中一般都会涉及到很多繁杂的细节。

而声明式就要优雅很多了,我们通过写表达式的方式来声明我们想干什么,而不是通过一步一步的指示。

//命令式
var CEOs = [];
for(var i = 0; i < companies.length; i++){
    CEOs.push(companies[i].CEO)
}

//声明式
var CEOs = companies.map(c => c.CEO);

命令式的写法要先实例化一个数组,然后再对 companies 数组进行for循环遍历,手动命名、判断、增加计数器,就好像你开了一辆零件全部暴露在外的汽车一样,虽然很机械朋克风,但这并不是优雅的程序员应该做的。

声明式的写法是一个表达式,如何进行计数器迭代,返回的数组如何收集,这些细节都隐藏了起来。它指明的是做什么,而不是怎么做。除了更加清晰和简洁之外,map 函数还可以进一步独立优化,甚至用解释器内置的速度极快的 map 函数,这么一来我们主要的业务代码就无须改动了。

函数式编程的一个明显的好处就是这种声明式的代码,对于无副作用的纯函数,我们完全可以不考虑函数内部是如何实现的,专注于编写业务代码。优化代码时,目光只需要集中在这些稳定坚固的函数内部即可。

相反,不纯的不函数式的代码会产生副作用或者依赖外部系统环境,使用它们的时候总是要考虑这些不干净的副作用。在复杂的系统中,这对于程序员的心智来说是极大的负担。

七、尾声

任何代码都是要有实际用处才有意义,对于JS来说也是如此。然而现实的编程世界显然不如范例中的函数式世界那么美好,实际应用中的JS是要接触到ajax、DOM操作,NodeJS环境中读写文件、网络操作这些对于外部环境强依赖,有明显副作用的“很脏”的工作。

这对于函数式编程来说也是很大的挑战,所以我们也需要更强大的技术去解决这些“脏问题”。我会在下一篇文章中介绍函数式编程的更加高阶一些的知识,例如Functor、Monad等等概念。

——————————-下篇———————————————–

所谓的纯函数就是,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,也不依赖外部环境的状态(我偷懒复制过来的)。

但是实际的编程中,特别是前端的编程范畴里,“不依赖外部环境”这个条件是根本不可能的,我们总是不可避免地接触到 DOM、AJAX 这些状态随时都在变化的东西。所以我们需要用更强大的技术来干这些脏活。

 

一、容器、Functor

如果你熟悉 jQuery 的话,应该还记得,$(…) 返回的对象并不是一个原生的 DOM 对象,而是对于原生对象的一种封装:

var foo = $('#foo'); 
foo == document.getElementById('foo'); 
//=> false

foo[0] == document.getElementById('foo'); 
//=> true

这在某种意义上就是一个“容器”(但它并不函数式)。

接下类我们会看到,容器为函数式编程里普通的变量、对象、函数提供了一层极其强大的外衣,赋予了它们一些很惊艳的特性,就好像 Tony Stark 的钢铁外衣,Dva 的机甲,明日香的2号机一样。

下面我们就来写一个最简单的容器吧:

var Container = function(x) {
  this.__value = x;
}
Container.of = x => new Container(x);

//试试看
Container.of(1);
//=> Container(1)

Container.of('abcd');
//=> Container('abcd')

我们调用 Container.of 把东西装进容器里之后,由于这一层外壳的阻挡,普通的函数就对他们不再起作用了,所以我们需要加一个接口来让外部的函数也能作用到容器里面的值:

Container.prototype.map = function(f){
  return Container.of(f(this.__value))
}

我们可以这样使用它:

Container.of(3)
    .map(x => x + 1)                //=> Container(4)
    .map(x => 'Result is ' + x);    //=> Container('Result is 4')

没错!我们仅花了 7 行代码就实现了很炫的『链式调用』,这也是我们的第一个 Functor

Functor(函子)是实现了 map 并遵守一些特定规则的容器类型。

也就是说,如果我们要将普通函数应用到一个被容器包裹的值,那么我们首先需要定义一个叫 Functor 的数据类型,在这个数据类型中需要定义如何使用 map 来应用这个普通函数。

把东西装进一个容器,只留出一个接口 map 给容器外的函数,这么做有什么好处呢?

本质上,Functor 是一个对于函数调用的抽象,我们赋予容器自己去调用函数的能力。当 map 一个函数时,我们让容器自己来运行这个函数,这样容器就可以自由地选择何时何地如何操作这个函数,以致于拥有惰性求值、错误处理、异步调用等等非常牛掰的特性。

举个例子,我们现在为 map 函数添加一个检查空值的特性,这个新的容器我们称之为 Maybe(原型来自于Haskell):

var Maybe = function(x) {
  this.__value = x;
}

Maybe.of = function(x) {
  return new Maybe(x);
}

Maybe.prototype.map = function(f) {
  return this.isNothing() ? Maybe.of(null) : Maybe.of(f(this.__value));
}

Maybe.prototype.isNothing = function() {
  return (this.__value === null || this.__value === undefined);
}

//试试看
import _ from 'lodash';
var add = _.curry(_.add);

Maybe.of({name: "Stark"})
    .map(_.prop("age"))
    .map(add(10));
//=> Maybe(null)

Maybe.of({name: "Stark", age: 21})
    .map(_.prop("age"))
    .map(add(10));
//=> Maybe(31)

看了这些代码,觉得链式调用总是要输入一堆 .map(…) 很烦对吧?这个问题很好解决,还记得我们上一篇文章里介绍的柯里化吗?

有了柯里化这个强大的工具,我们可以这样写:

import _ from 'lodash';
var compose = _.flowRight;
var add = _.curry(_.add);

// 创造一个柯里化的 map
var map = _.curry((f, functor) => functor.map(f));

var doEverything = map(compose(add(10), _.property("age")));

var functor = Maybe.of({name: "Stark", age: 21});
doEverything(functor);
//=> Maybe(31)

 

二、错误处理、Either

现在我们的容器能做的事情太少了,它甚至连做简单的错误处理都做不到,现在我们只能类似这样处理错误:

try{
    doSomething();
}catch(e){
    // 错误处理
}

try/catch/throw 并不是“纯”的,因为它从外部接管了我们的函数,并且在这个函数出错时抛弃了它的返回值。这不是我们期望的函数式的行为。

如果你对 Promise 熟悉的话应该还记得,Promise 是可以调用 catch 来集中处理错误的:

doSomething()
    .then(async1)
    .then(async2)
    .catch(e => console.log(e));

对于函数式编程我们也可以做同样的操作,如果运行正确,那么就返回正确的结果;如果错误,就返回一个用于描述错误的结果。这个概念在 Haskell 中称之为 Either 类,Left 和 Right 是它的两个子类。我们用 JS 来实现一下:

// 这里是一样的=。=
var Left = function(x) {
  this.__value = x;
}
var Right = function(x) {
  this.__value = x;
}

// 这里也是一样的=。=
Left.of = function(x) {
  return new Left(x);
}
Right.of = function(x) {
  return new Right(x);
}

// 这里不同!!!
Left.prototype.map = function(f) {
  return this;
}
Right.prototype.map = function(f) {
  return Right.of(f(this.__value));
}

下面来看看 Left 和 Right 的区别吧:

Right.of("Hello").map(str => str + " World!");
// Right("Hello World!")

Left.of("Hello").map(str => str + " World!");
// Left("Hello")

Left 和 Right 唯一的区别就在于 map 方法的实现,Right.map 的行为和我们之前提到的 map 函数一样。但是 Left.map 就很不同了:它不会对容器做任何事情,只是很简单地把这个容器拿进来又扔出去。这个特性意味着,Left 可以用来传递一个错误消息。

var getAge = user => user.age ? Right.of(user.age) : Left.of("ERROR!");

//试试
getAge({name: 'stark', age: '21'}).map(age => 'Age is ' + age);
//=> Right('Age is 21')

getAge({name: 'stark'}).map(age => 'Age is ' + age);
//=> Left('ERROR!')

是的,Left 可以让调用链中任意一环的错误立刻返回到调用链的尾部,这给我们错误处理带来了很大的方便,再也不用一层又一层的 try/catch

Left 和 Right 是 Either 类的两个子类,事实上 Either 并不只是用来做错误处理的,它表示了逻辑或,范畴学里的 coproduct。但这些超出了我们的讨论范围。

 

三、IO

下面我们的程序要走出象牙塔,去接触外面“肮脏”的世界了,在这个世界里,很多事情都是有副作用的或者依赖于外部环境的,比如下面这样:

function readLocalStorage(){
    return window.localStorage;
}

这个函数显然不是纯函数,因为它强依赖外部的 window.localStorage 这个对象,它的返回值会随着环境的变化而变化。为了让它“纯”起来,我们可以把它包裹在一个函数内部,延迟执行它:

function readLocalStorage(){
    return function(){
        return window.localStorage;   
    }
}

这样 readLocalStorage 就变成了一个真正的纯函数! OvO为机智的程序员鼓掌!

额……好吧……好像确实没什么卵用……我们只是(像大多数拖延症晚期患者那样)把讨厌做的事情暂时搁置了而已。为了能彻底解决这些讨厌的事情,我们需要一个叫 IO 的新的 Functor

import _ from 'lodash';
var compose = _.flowRight;

var IO = function(f) {
    this.__value = f;
}

IO.of = x => new IO(_ => x);

IO.prototype.map = function(f) {
    return new IO(compose(f, this.__value))
};

IO 跟前面那几个 Functor 不同的地方在于,它的 __value 是一个函数。它把不纯的操作(比如 IO、网络请求、DOM)包裹到一个函数内,从而延迟这个操作的执行。所以我们认为,IO 包含的是被包裹的操作的返回值

var io_document = new IO(_ => window.document);

io_document.map(function(doc){ return doc.title });
//=> IO(document.title)

注意我们这里虽然感觉上返回了一个实际的值 IO(document.title),但事实上只是一个对象:{ __value: [Function] },它并没有执行,而是简单地把我们想要的操作存了起来,只有当我们在真的需要这个值得时候,IO 才会真的开始求值,这个特性我们称之为『惰性求值』。(培提尔其乌斯:“这是怠惰啊!”)

是的,我们依然需要某种方法让 IO 开始求值,并且把它返回给我们。它可能因为 map 的调用链积累了很多很多不纯的操作,一旦开始求值,就可能会把本来很干净的程序给“弄脏”。但是去直接执行这些“脏”操作不同,我们把这些不纯的操作带来的复杂性和不可维护性推到了 IO 的调用者身上(嗯就是这么不负责任)。

下面我们来做稍微复杂点的事情,编写一个函数,从当前 url 中解析出对应的参数。

import _ from 'lodash';

// 先来几个基础函数:
// 字符串
var split = _.curry((char, str) => str.split(char));
// 数组
var first = arr => arr[0];
var last = arr => arr[arr.length - 1];
var filter = _.curry((f, arr) => arr.filter(f));
//注意这里的 x 既可以是数组,也可以是 functor
var map = _.curry((f, x) => x.map(f)); 
// 判断
var eq = _.curry((x, y) => x == y);
// 结合
var compose = _.flowRight;


var toPairs = compose(map(split('=')), split('&'));
// toPairs('a=1&b=2')
//=> [['a', '1'], ['b', '2']]

var params = compose(toPairs, last, split('?'));
// params('http://xxx.com?a=1&b=2')
//=> [['a', '1'], ['b', '2']]

// 这里会有些难懂=。= 慢慢看
// 1.首先,getParam是一个接受IO(url),返回一个新的接受 key 的函数;
// 2.我们先对 url 调用 params 函数,得到类似[['a', '1'], ['b', '2']]
//   这样的数组;
// 3.然后调用 filter(compose(eq(key), first)),这是一个过滤器,过滤的
//   条件是 compose(eq(key), first) 为真,它的意思就是只留下首项为 key
//   的数组;
// 4.最后调用 Maybe.of,把它包装起来。
// 5.这一系列的调用是针对 IO 的,所以我们用 map 把这些调用封装起来。
var getParam = url => key => map(compose(Maybe.of, filter(compose(eq(key), first)), params))(url);

// 创建充满了洪荒之力的 IO!!!
var url = new IO(_ => window.location.href);
// 最终的调用函数!!!
var findParam = getParam(url);

// 上面的代码都是很干净的纯函数,下面我们来对它求值,求值的过程是非纯的。
// 假设现在的 url 是 http://xxx.com?a=1&b=2
// 调用 __value() 来运行它!
findParam("a").__value();
//=> Maybe(['a', '1'])

 

四、总结

如果你还能坚持看到这里的话,不管看没看懂,已经是勇士了。在这篇文章里,我们先后提到了 MaybeEitherIO 这三种强大的 Functor,在链式调用、惰性求值、错误捕获、输入输出中都发挥着巨大的作用。事实上 Functor 远不止这三种,但由于篇幅的问题就不再继续介绍了(哼才不告诉你其实是因为我还没看懂其它 Functor 的原理)

但依然有问题困扰着我们:

1. 如何处理嵌套的 Functor 呢?(比如 Maybe(IO(42))

2. 如何处理一个由非纯的或者异步的操作序列呢?

在这个充满了容器和 Functor 的世界里,我们手上的工具还不够多,函数式编程的学习还远远没有结束,

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