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什么是函数式编程？总结

作者：小桥流水78 | 2024-06-24 08:36:51

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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。

  • 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
  • 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
let num1 = 2
let num2 = 3
let sum = num1+ num2
console.log(sum) // 5

// 函数式
function add (n1,n2) {
    return n1 + n2
}
let sum = add(2,3)
console.log(sum) // 5

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函数是一等公民(头等函数)

  • 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，甚至我们可以在程序运行的时候通过 new
Function(‘alert(1)’) 来构造一个新的函数。

  • 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
const BlogController = {
    index: Views.index,
    show: Views.show,
    create: Db.create,
    update: Db.update,
    destroy: Db.destroy
}

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高阶函数

  • 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
  • 函数作为参数
// forEach函数
function forEach(array, fn) {
    for (let i = 0; i < array.length; i++) {
        fn(array[i]);
    }
}
let arr = [1, 2, 3, 5, 6, 8, 10];
forEach(arr, (item) => {
    console.log(item); // 1 2 3 5 6 8 10
});

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

let r = filter(arr, (item) => {
    return item % 2 === 0;
});
console.log(r); // [ 2, 6, 8, 10 ]

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  • 函数作为返回值
// 高阶函数-函数作为返回值
function makeFn() {
    let msg = "Hello function";
    return function () {
        console.log(msg); 
    };
}
const fn = makeFn();
// 将函数返回值赋值给一个变量
fn(); // Hello function
// 函数自身执行两次
makeFn()(); // Hello function

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// 只执行一次函数
function once(fn) {
    let flag = false;
    return function () {
        if (!flag) {
            flag = true;
            fn.apply(this, arguments);
        }
    };
}

let pay = once(function (money) {
    console.log(`支付了${money}元`); // 支付了5元
});

// 不管调用几次都是只执行一次
pay(5);
pay(10);
pay(15);
pay(5);

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使用高阶函数的意义

  • 抽象可以帮我们屏蔽细节，只需要关注我们的目标
  • 高阶函数是用来抽象通用的问题

常用的高阶函数

  • forEach
  • map
  • filter
  • every
  • some
  • find/findIndex
  • reduce
  • sort
  • ……
// map
// 返回一个新的数组,新数组的值是fn函数处理后的
const map = function (array, fn) {
    let result = [];
    for (let value of array) {
        result.push(fn(value));
    }
    return result;
};
let arr = [1, 2, 3, 4];
arr = map(arr, (item) => item * item);
console.log(arr); // [ 1, 4, 9, 16 ]

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// every
// 检测指定的条件是否全部匹配, 有一个不满足就返回false
const every = function (array, fn) {
    let result = true;
    for (let value of array) {
        result = fn(value);
        if (!result) {
            break;
        }
    }
    return result;
};
let arr2 = [5, 3, 6, 7, 9, 11];
let r = every(arr2, (item) => item > 6);
console.log(r); // false

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// some
// 检测指定的条件是否有匹配的,只要有一个匹配的就返回true
const some = function (array, fn) {
    let result = false;
    for (let value of array) {
        result = fn(value);
        if (result) {
            break;
        }
    }
    return result;
};

let arr3 = [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0];
let r2 = some(arr3, (item) => item === 2);
console.log(r2); // false

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闭包

  • 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


上面函数作为返回值就是闭包

  • 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
  • 闭包案例
// 生成计算数字的多少次幂的函数
function makePower(power) {
      return function (number) {
          return Math.pow(number, power);
      };
  }

  // 求平方 定义一个n次方
  let power2 = makePower(2);
  let power3 = makePower(3);

  // 根据不同的n次方再传入数值,最后得到 4的2次方 和 4的3次方
  console.log(power2(4)); // 16
  console.log(power3(4)); // 64

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 // 基本工资+绩效工资
 function makeSalary(base) {
      return function () {
          return base + arguments[0];
      };
  }
  // 定义基础工资数值
  let salaryLevel1 = makeSalary(12000);
  let salaryLevel2 = makeSalary(15000);

  // 传入一个绩效,自动会去计算 基础工资 + 绩效
  console.log(salaryLevel1(3000)); // 15000
  console.log(salaryLevel1(5000)); // 17000

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纯函数的概念

  • 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)
  • lodash 是一个一致性、模块化、高性能的 JavaScript 实用工具库(lodash 的 fp 模块提供了对函数 式编程友好的方法)，提供了对数组、数字、对象、字符串、函数等操作的一些方法
  • 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 arr = [1, 2, 3, 4, 5];
// 纯函数, 相同的参数获取到相同的结果
console.log(arr.slice(0, 3)); // [ 1, 2, 3 ]
console.log(arr.slice(0, 3)); // [ 1, 2, 3 ]
console.log(arr.slice(0, 3)); // [ 1, 2, 3 ]

// 不纯函数 相同的参数得到不同的结果
console.log(arr.splice(0, 3)); // [ 1, 2, 3 ]
console.log(arr.splice(0, 3)); // [ 4, 5 ]
console.log(arr.splice(0, 3)); // []

// 自定义纯函数
function getSum(n1, n2) {
    return n1 + n2;
}
console.log(getSum(1,2)); // 3
console.log(getSum(1,2)); // 3
console.log(getSum(1,2)); // 3

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  • 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
// 获取圆面积的函数
function getArea(r) {
    console.log(r); // 2
    return Math.PI * r * r;
}

// 模拟lodash中的memoize函数 做到缓存数据的作用
function memoize(f) {
    let cache = {};
    return function () {
        // 将参数作为key 保存起来 (arguments是一个伪数组)
        let key = JSON.stringify(arguments);
      	console.log(key); // {"0":2} 这里调用4次会执行4次
        // 如果有这个key对应的值则使用,如果没有再调用函数
        // 第一次会执行getArea()函数,之后再传入同样的参数将不会再调用getArea函数
        cache[key] = cache[key] || f.apply(f, arguments);
        return cache[key]
    };
}

// 纯函数的好处,可缓存, getArea函数将只会执行一次(2只输出了一次)
let getAreaWithMemory = memoize(getArea)
console.log(getAreaWithMemory(2)); // 12.566370614359172
console.log(getAreaWithMemory(2)); // 12.566370614359172
console.log(getAreaWithMemory(2)); // 12.566370614359172
console.log(getAreaWithMemory(2)); // 12.566370614359172

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  • 可测试
  • 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，后可以通过柯里化解决) 
function checkAge (age) {  
    let mini = 18  
    return age >= mini
}

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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
// 普通的纯函数,不再依赖于外部变量
function checkAge(min, age) {
    return age >= min;
}
console.log(checkAge(18, 20));
但是如果这么写min 这个基准数会一直重复

// 闭包的方式来处理,其实就是函数的柯里化
function checkAge(min) {
    return function (age) {
        return age >= min
    }
}

// ES6写法
let checkAge = (min) => (age) => age >= min;

let checkAge18 = checkAge(18);
let checkAge20 = checkAge(20);

console.log(checkAge18(20)); // true
console.log(checkAge20(20)); // true

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  • 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");
function getSum(a, b, c) {
    return a + b + c;
}

const curried = _.curry(getSum);
// 以下三次结果一样,如果只传递部分参数会返回新的函数等待接收剩余参数
console.log(curried(1, 2, 3));
console.log(curried(1)(2, 3));
console.log(curried(1, 2)(3));

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  • 案例
// 柯里化案例
const _ = require("lodash");

// 不使用柯里化时需要每次定义
"".match(/\s+/g);
"".match(/\d+/g);

// 使用柯里化改造之后 让一个函数生成一个函数
const match = _.curry(function (reg, str) {
    return str.match(reg);
});

const haveSpace = match(/\s+/g);
const haveNumber = match(/\d+/g);

const filter = _.curry((func, array) => array.filter(func));

const findSpace = filter(haveSpace);

console.log(haveSpace("hello world"));
console.log(haveNumber("abc123"));

console.log(filter(haveSpace, ["hello world", "hello_world"]));

console.log(findSpace(["hello world", "hello_world"]));

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  • 模拟 _.curry() 的实现
function curry(func) {
    return function curriedFn(...args) {
        // 如果实参小于形参
        if (args.length < func.length) {
            return function () {
                // 将所有参数合并起来再传递进来  arguments是一个伪数组需要变成一个数组
                return curriedFn(...args.concat(Array.from(arguments)));
            };
        }
        // 实参和形参个数相同或多于，调用 func，返回结果 
        return func(...args);
    };
}

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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

  • 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)))
  • 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

管道


给 fn 函数输入参数 a，返回结果 b。可以想想 a 数据 通过一个管道得到了 b 数据。


当 fn 函数比较复杂的时候，我们可以把函数 fn 拆分成多个小函数，此时多了中间运算过程产生的 m 和 n。

fn = compose(f1, f2, f3) 
b = fn(a)

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函数组合

  • 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
// 函数组合演示
function compose(f, g) {
    return function (value) {
        return f(g(value));
    };
}
function reverse(array) {
    return array.reverse();
}

function first(array) {
    return array[0];
}
// 函数内参数,从右向左运行
const last = compose(first, reverse);
console.log(last(["hello", "world"]));

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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
  • flow() 是从左到右运行
  • flowRight() 是从右到左运行，使用的更多一些
const reverse = (arr) => arr.reverse();
const first = (arr) => arr[0];
const toUpper = (s) => s.toUpperCase();

const f = _.flowRight(toUpper, first, reverse);

console.log(f(["one", "two", "three"]));

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  • 模拟实现 lodash 的 flowRight 方法
function compose(...args) {
    return function (value) {
        // reduce参数是一个函数，函数内第一个参数是一个累计的结果,第二个参数是调用reduce的当前值
        return args.reverse().reduce(function (acc, fn) {
            return fn(acc);
        }, value);
    };
}

// ES6写法
const compose = (...args) => (value) => args.reverse().reduce((acc, fn) => fn(acc), value);

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  • 函数的组合要满足结合律 (associativity)：
    • 我们既可以把 g 和 h 组合，还可以把 f 和 g 组合，结果都是一样的
// 结合律（associativity） 
let f = compose(f, g, h) 
let associative = compose(compose(f, g), h) == compose(f, compose(g, h)) 

// 函数组合要满足结合律 那么结果也可以是
const associative = compose(toUpper, compose(first, reverse));
console.log(associative(["one", "two", "three"]));

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调试

  • 如何调试组合函数
// NEVER SAY DIE  --> never-say-die
const _ = require("lodash");

// 通过柯里化函数拿到对应位置的信息
const trace = _.curry(function (tag, v) {
    console.log(tag, v);
    return v;
});

// 柯里化改造split
const split = _.curry((sep, str) => return _.split(str, sep);
);
// 柯里化改造join
const join = _.curry((sep, arr) => _.join(arr, sep);
);
// 柯里化改造map
const map = _.curry((fn, arr) => _.map(arr, fn);
);

const f = _.flowRight(join("-"),trace("toLower后"),map(_.toLower),trace("split后"),split(" "));

console.log(f("NEVER SAY DIE"));

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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-first data-last 的方法
const fp = require("lodash/fp");

const f = fp.compose(fp.join("-"), fp.map(fp.toLower), fp.split(" "));
console.log(f("NEVER SAY DIE"));

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  • lodash和lodash/fp 模块中 map 方法的区别
const _ = require("lodash");

console.log(_.map(["13", "22", "10"], parseInt));
// lodash中的map接收的第二个参数是函数,并且该函数有3个参数
// parseInt("13", 0, array);
// parseInt("22", 1, array);
// parseInt("10", 2, array);

const fp = require("lodash/fp");

// 而fp下的map方法第一个参数是函数,并且该函数只有一个参数,当前处理的元素
console.log(fp.map(parseInt, ["13", "22", "10"]));

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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。

  • 不需要指明处理的数据
  • 只需要合成运算过程
  • 需要定义一些辅助的基本运算函数
const f = fp.flowRight(fp.join('-'), fp.map(_.toLower), fp.split(' '))

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  • 演示
// 非Point Free 模式
// Hello   World => hello_world
function f(word) {
    return word.toLowerCase().replace(/\s+/g, "_");
}

// Point Free 模式
const fp = require("lodash/fp");
const f = fp.flowRight(fp.replace(/\s+/g, "_"), fp.toLower);

console.log(f('Hello   World'));

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  • 小案例
// 把一个字符串中的首字母提取并转换成大写，使用.作为分隔符
// world wild web => W. W. W
const fp = require('lodash/fp')
const firstLetterToUpper = fp.flowRight(fp.join('. '),fp.map(fp.flowRight(fp.first,fp.toUpper)),fp.split(' '))

console.log(firstLetterToUpper('world wild web'));

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Functor(函子)

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
class Container {
    // 定义一个静态方法来创建一个新的函子
    static of(value) {
        return new Container(value);
    }
    constructor(value) {
        this._value = value;
    }
    // 接收一个处理值的函数,把处理的结果传递给一个新的函子
    map(fn) {
        return Container.of(fn(this._value));
    }
}
let c = Container.of(5).map((x) => x + 1).map((x) => x * 6);

console.log(c);

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  • 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 undefined
// 副作用 直接传入null 或者 undefined  会报错
let r = Container.of(null).map((x) => x.toUpperCase());
console.log(r);
// Cannot read property 'toUpperCase' of null

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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;
    }
}

let r = MayBe.of(null).map((x) => x.toUpperCase());
console.log(r); // => MayBe { _value: null }

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  • 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：
let r = MayBe.of(5)
    .map((x) => x * 2)
    .map((x) => null);
    .map((x) => x + 1);
console.log(r); // => MayBe { _value: null }

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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
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));
    }
}

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  • 可以通过Either函子来处理异常,并且记录异常信息
function parseJSON(str) {
    try {
        return Right.of(JSON.parse(str));
    } catch (e) {
        return Left.of({ error: e.message });
    }
}
let r = parseJSON('{name: zs}').map((x) => x.name.toUpperCase());

console.log(r); //  => Left { _value: { error: 'Unexpected token n in JSON at position 1' } }

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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)，包装当前的操作
  • 把不纯的操作交给调用者来处理
const fp = require("lodash/fp");
class IO {
    static of(value) {
        return new IO(function () {
            return value;
        });
    }
    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));
    }
}
// 这里始终会返回一个IO的函子
const r = IO.of(process).map((x) => x.execPath);

console.log(r);
console.log(r._value());

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Task 异步执行

  • 异步任务的实现过于复杂，我们使用 folktale 中的 Task 来演示
  • 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
// Task函子处理异步任务
const { task } = require("folktale/concurrency/task");
const fs = require("fs");
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),
    });

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

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Monad（单子）

  • 在使用 IO 函子的时候，如果我们写出如下代码：
// IO函子
const fp = require("lodash/fp");
const fs = require("fs");
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));
    }
}

// 模拟cat函数(先读取文件然后打印文件)
let readFile = function readFile(fileName) {
    return new IO(function () {
        return fs.readFileSync(fileName, "utf-8");
    });
};

let print = function print(x) {
    return new IO(function () {
        console.log(x);
        // 将接收到的IO函子再返回出去,从而可以进行链式调用
        return x;
    });
};

let cat = fp.flowRight(print, readFile);

// IO(IO(x)); cat实际上是一个嵌套的函子
// 第一个._value调用的print函数,因为调用由外部开始 第二个._value调用的是readFile
let r = cat("package.json")._value()._value();

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  • 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
// monad (单子)
class IO {
    static of(value) {
        return new IO(value);
    }
    constructor(fn) {
        this._value = fn;
    }
    map(fn) {
        return new IO(fp.flowRight(fn, this._value));
    }
    join() {
        return this._value();
    }
    floatMap(fn) {
        return this.map(fn).join();
    }
}
let r = readFile("package.json").map(fp.toUpper).floatMap(print).join();
console.log(r);

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以上就是在学习过程中对函数式编程的理解总结,还望大佬指点~~~

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