[译]Android 开发者如何函数式编程 (一)

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2017-03-02
原文链接:github.com

最近我花了一些时间学习 Elixir —— 一门极好的编程语言,适合初学者入门学习。

我在想,为什么我们不在 Android 开发中使用函数式编程的思想和技术呢?

大多数人当听到函数式编程时,他们会想到 Hacker News 发布的一些关于单子、高阶函数以及抽象数据类型的内容。这好像是一个离平时辛勤编码的程序员很远的神秘领域,它仅仅属于强大的黑客们。

不去管它!我要说你也可以学它,你也可以使用它,你也可以用它打造漂亮的应用 —— 拥有优雅的、可读性强的并且错误少的代码。

欢迎阅读 Android 开发者如何函数式编程(FP)。接下来的一系列文章中,我将带领大家一起学习 FP 基础以及如何在老版本的 Java 中使用 FP。本文旨在实用性,会尽量少用学术性的言论。

FP 是一个很大的话题。我们接下来只会涉及对编写 Android 代码有用的思想和技术。由于完整性的原因大家可能会看到了一些不能直接应用的思想,但是我会尽可能的保证材料的相关性。

准备好了吗?我们开始吧。

什么是函数式编程?我为什么要用?

问得好。函数式编程是一系列被不公平对待的编程思想的保护伞。它的核心思想是,它是一种将程序看成是数学方法的求值、不会改变状态、不会产生副作用(后面我们马上会谈到)的编程方式。

FP 核心思想强调:

  • 声明式代码 —— 程序员应该关心是什么,让编译器和运行环境去关心怎样做
  • 明确性 —— 代码应该尽可能的明显。尤其是要隔离副作用避免意外。要明确定义数据流和错误处理,要避免 GOTO 语句和 异常,因为它们会将应用置于意外的状态。
  • 并发 —— 因为纯函数的概念,大多数函数式代码默认都是并行的。由于CPU运行速度没有像以前那样逐年加快((详见 摩尔定律)), 普遍看来这个特点导致函数式编程渐受欢迎。以及我们也必须利用多核架构的优点,让代码尽量的可并行。
  • 高阶函数 —— 函数和其他的语言基本元素一样是一等公民。你可以像使用 string 和 int 一样的去传递函数。
  • 不变性 —— 变量一经初始化将不能修改。一经创建,永不改变。如果需要改变,需要创建新的。这是明确性和避免副作用之外的另一方面。如果你知道一个变量不能改变,当你使用时会对它的状态更有信心。

声明式、明确性和可并发的代码,难道不是更易推导以及从设计上就避免了意外吗?真希望已经激起了你的兴趣。

作为本系类文章的第一部分,我们从一些 FP 的基本概念开始:纯粹副作用排序

纯函数

当一个函数的输出只依赖输入并且没有副作用(我们后面马上会谈到),那么这个函数就是纯函数。下面我们看一个例子。

一个简单的两数求和的函数。一个数从文件中读取,另一个数是传进来的参数。

int add(int x) {
    int y = readNumFromFile();
    return x + y;
}

这个函数的输出不仅仅依赖于输入,还依赖于 readNumFromFile() 的返回,对于相同的入参 x 可能有不同的输出。这个函数不是纯函数。

下面我们将它改为纯函数。

int add(int x, int y) {
    return x + y;
}

现在函数的输出只依赖于输入了。对于给定的 xy,函数总会返回相同的输出。这个函数是纯函数。数学函数的计算与之一样,一个数学函数的输出只依赖于输入 —— 这也是为什么函数式编程更像数学,而不是我们通常使用的编程方式。

P.S. 没有输入也是一种输入。如果一个函数没有输入并且每次的返回总是相同不变的,那么它也是一个纯函数。

P.P.S. 固定输入总是返回相同输出的属性也被成为 引用透明性,当讨论纯函数时你可能会遇到这种说法。

副作用

我们修改下原来的函数来研究这个概念,我们将函数改成可以将计算结果存储到文件中。

int add(int x, int y) {
    int result = x + y;
    writeResultToFile(result);
    return result;
}

该函数将计算结果写到了一个文件中,也就是修改了外界的状态。那么该函数就是有 副作用,不再是纯函数了。

任何修改外界状态(修改变量、写文件、存储 DB、删除内容等)的代码都是有副作用的。

FP 中应该避免使用有副作用的函数,因为它们不在是纯函数而是依赖于历史上下文。代码的上下文不是由自身决定,这将导致它们更难推导。

我们假设你写了一段依赖缓存的代码,代码的输出依赖于是否有人已经对缓存做了写操作、写入了什么、什么时候写入的、写入的数据是否有效等。你无法知道你的程序在做什么,除非你知道它依赖的缓存的所有可能状态。如果你拓展代码以包括所有应用依赖的内容 —— 网络、数据库、文件、用户输入等等,那么会变得很难确切的知道正在发生什么,以及很难一次性将所有内容都考虑到。

这是否意味着我们不使用网络、数据库和缓存了?当然不是。当执行结束之后,应用往往需要做些什么。以 Android 应用为例,往往是更新 UI 以便用户从我们的应用中真正地获得有用的内容。

FP 最伟大的概念并非完全的放弃副作用,而是包容、隔离它们。我们将副作用置于系统的边缘,尽可能减少影响,使得应用更易懂,避免有副作用的函数将应用弄得一团糟。在本系列后面的文章中,研究应用的函数式架构时,我们会具体的讨论这个问题。

排序

如果我们有几个没有副作用的纯函数,那么它们的执行顺序是无关紧要的。

我们看个例子,我们有一个函数,函数会调用 3 个纯函数:

void doThings() {
    doThing1();
    doThing2();
    doThing3();
}

我们明确的知道这些函数互不依赖(因为一个函数的输出不是另一个的输入)并且我们知道它们不会改变系统的任何内容(因为它们是纯函数)。这样它们的执行顺序是完全可交换的。

独立的纯函数的执行顺序是可重排序和优化的。需要注意的是,如果 doThing1() 的结果是 doThing2() 的输入,那么它们需要按顺序执行,但是 doThing3() 依然可以重排序在 doThing1() 之前执行。

可重排序的特性对我们来说有什么益处?当然是并发了。我们可以在 3 个 CPU 上分别运行它们,而不需要担心发生任何问题。

多数情况下,像 Haskell 这样高级纯函数式语言的编译器中,可以通过分析你的代码判断是否可并行,可以防止你出现搬起石头砸自己的脚的事情(比如死锁、条件竞争等)。这些编译器理论上可以自动并行化你的代码(虽然据我所知目前编译器都不支持,但是相关的研究正在进行)。

尽管你的编译器并不像上面说的那样,但单作为一个程序员,有能够根据函数的签名判断代码是否可并行,并且避免代码存在隐性副作用而导致线程问题的能力还是很重要的。

总结

希望第一本分已经激起了你对 FP 的兴趣。纯粹性、无副作用的函数是的代码更易读并且是实现并行的第一步。

在我们开始实现并行之前,我们需要了解下 不变性。在本系列文章的第二部分将进行探讨,并且可以看到在不需要借助锁和互斥变量的情况下,纯函数和不变性是如何帮助我们编写简单易懂的可并行代码的。

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