懒人整理的js函数式编程讲解

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本文收纳于: 从零开始的前端筑基之旅(深入浅出,持续更新~)

什么是函数式编程

  • 是一种编程范型,它将电脑运算视为数学上的函数计算,并且避免使用程序状态以及易变对象。
  • 函数式编程更加强调程序执行的结果而非执行的过程,倡导利用若干简单的执行单元让计算结果不断渐进,逐层推导复杂的运算,而不是设计一个复杂的执行过程。
  • 函数式编程的思维过程是完全不同的,它的着眼点是函数,而不是过程,它强调的是如何通过函数的组合变换去解决问题,而不是我通过写什么样的语句去解决问题

为什么叫函数式编程

根据学术上函数的定义,函数即是一种描述集合和集合之间的转换关系,输入通过函数都会返回有且只有一个输出值。函数实际上是一个关系,或者说是一种映射,而这种映射关系是可以组合的。

在我们的编程世界中,我们需要处理的其实也只有“数据”和“关系”,而关系就是函数。我们所谓的编程工作也不过就是在找一种映射关系,一旦关系找到了,问题就解决了,剩下的事情,就是让数据流过这种关系,然后转换成另一个数据。

函数式编程的特点

函数是一等公民

你可以像对待任何其他数据类型一样对待它们——把它们存在数组里,当作参数传递,赋值给变量...等等。使用总有返回值的表达式而不是语句

// 函数式编程-函数作为返回参数
const add = (x) => {
  return plus = (y) => {
    return x + y;
  }
};
let plus1 = add(1);
let plus2 = add(2);

console.log(plus1(1)); // 2
console.log(plus2(1)); // 3

声明式编程 (Declarative Programming)

不再指示计算机如何工作,而是指出我们明确希望得到的结果。与命令式不同,声明式意味着我们要写表达式,而不是一步一步的指示。

以 SQL 为例,它就没有“先做这个,再做那个”的命令,有的只是一个指明我们想要从数据库取什么数据的表达式。至于如何取数据则是由它自己决定的。以后数据库升级也好,SQL 引擎优化也好,根本不需要更改查询语句。

无状态和数据不可变 (Statelessness and Immutable data)

这是函数式编程的核心概念:

  • 数据不可变: 它要求你所有的数据都是不可变的,这意味着如果你想修改一个对象,那你应该创建一个新的对象用来修改,而不是修改已有的对象。
  • 无状态: 主要是强调对于一个函数,不管你何时运行,它都应该像第一次运行一样,给定相同的输入,给出相同的输出,完全不依赖外部状态的变化。
// 比较 Array 中的 slice 和 splice
let test = [1, 2, 3, 4, 5];

// slice 为纯函数,返回一个新的数组
console.log(test.slice(0, 3)); // [1, 2, 3]
console.log(test); // [1, 2, 3, 4, 5]

// splice则会修改参数数组
console.log(test.splice(0, 3)); // [1, 2, 3]
console.log(test); // [4, 5]

函数应该纯天然,无副作用

纯函数是这样一种函数,即相同的输入,永远会得到相同的输出,而且没有任何可观察的副作用。

副作用是指,函数内部与外部互动,产生运算以外的其他结果。 例如在函数调用的过程中,利用并修改到了外部的变量,那么就是一个有副作用的函数。

副作用可能包含,但不限于:

  • 更改文件系统
  • 往数据库插入记录
  • 发送一个 http 请求
  • 可变数据
  • 打印/log
  • 获取用户输入
  • DOM 查询
  • 访问系统状态

纯函数的优点:

  1. 可缓存性。

    纯函数能够根据输入来做缓存。

  2. 可移植性/自文档化。

    • 可移植性可以意味着把函数序列化(serializing)并通过 socket 发送。也可以意味着代码能够在 web workers 中运行。
    • 纯函数是完全自给自足的,它需要的所有东西都能轻易获得。纯函数的依赖很明确,因此更易于观察和理解

    ****

  3. 可测试性(Testable)

    纯函数让测试更加容易。我们不需要伪造一个“真实的”支付网关,或者每一次测试之前都要配置、之后都要断言状态(assert the state)。只需简单地给函数一个输入,然后断言输出就好了。

  4. 合理性(Reasonable)

    很多人相信使用纯函数最大的好处是_引用透明性_(referential transparency)。如果一段代码可以替换成它执行所得的结果,而且是在不改变整个程序行为的前提下替换的,那么我们就说这段代码是引用透明的。

    由于纯函数总是能够根据相同的输入返回相同的输出,所以它们就能够保证总是返回同一个结果,这也就保证了引用透明性。

  5. 并行代码

    我们可以并行运行任意纯函数。因为纯函数根本不需要访问共享的内存,而且根据其定义,纯函数也不会因副作用而进入竞争态(race condition)。

面向对象语言的问题是,它们永远都要随身携带那些隐式的环境。你只需要一个香蕉,但却得到一个拿着香蕉的大猩猩...以及整个丛林

惰性执行(Lazy Evaluation)

函数只在需要的时候执行,不产生无意义的中间变量。从头到尾都在写函数,只有在最后的时候才通过调用 产生实际的结果。

函数式编程中有两种操作是必不可少的:柯里化(Currying)函数组合(Compose)

柯里化

把接受多个参数的函数变换成接受一个单一参数(最初函数的第一个参数)的函数,只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。

函数式编程 + 柯里化,将提取成柯里化的函数部分配置好之后,可作为参数传入,简化操作流程。

// 给 list 中每个元素先加 1,再加 5,再减 1
let list = [1, 2, 3, 4, 5];

//正常做法
let list1 = list.map((value) => {
  return value + 1;
});
let list2 = list1.map((value) => {
  return value + 5;
});
let list3 = list2.map((value) => {
  return value - 1;
});
console.log(list3); // [6, 7, 8, 9, 10]

// 柯里化
const changeList = (num) => {
  return (data) => {
    return data + num
  }
};
let list1 = list.map(changeList(1)).map(changeList(5)).map(changeList(-1));
console.log(list1); // [6, 7, 8, 9, 10]

返回的函数就通过闭包的方式记住了传入的第一个参数

一次次地调用它实在是有点繁琐,我们可以使用一个特殊的 curry 帮助函数(helper function)使这类函数的定义和调用更加容易。

var curry = require('lodash').curry;

var match = curry(function(what, str) {
  return str.match(what);
});

var replace = curry(function(what, replacement, str) {
  return str.replace(what, replacement);
});

var filter = curry(function(f, ary) {
  return ary.filter(f);
});

var map = curry(function(f, ary) {
  return ary.map(f);
});

上面的代码中遵循的是一种简单,同时也非常重要的模式。即策略性地把要操作的数据(String, Array)放到最后一个参数里。

你可以一次性地调用 curry 函数,也可以每次只传一个参数分多次调用。

match(/\s+/g, "hello world");
// [ ' ' ]

match(/\s+/g)("hello world");
// [ ' ' ]

var hasSpaces = match(/\s+/g);
// function(x) { return x.match(/\s+/g) }

hasSpaces("hello world");
// [ ' ' ]

hasSpaces("spaceless");
// null

这里表明的是一种“预加载”函数的能力,通过传递一到两个参数调用函数,就能得到一个记住了这些参数的新函数。

curry 的用处非常广泛,就像在 hasSpacesfindSpacescensored 看到的那样,只需传给函数一些参数,就能得到一个新函数。

map 简单地把参数是单个元素的函数包裹一下,就能把它转换成参数为数组的函数。

var getChildren = function(x) {
  return x.childNodes;
};

var allTheChildren = map(getChildren);

只传给函数一部分参数通常也叫做_局部调用_(partial application),能够大量减少样板文件代码(boilerplate code)。

当我们谈论_纯函数_的时候,我们说它们接受一个输入返回一个输出。curry 函数所做的正是这样:每传递一个参数调用函数,就返回一个新函数处理剩余的参数。这就是一个输入对应一个输出啊。哪怕输出是另一个函数,它也是纯函数。

函数组合

函数组合的目的是将多个函数组合成一个函数。

const compose = (f, g) => {
  return (x) => {
    return f(g(x));
  };
};

compose 的定义中,g 将先于 f 执行,因此就创建了一个从右到左的数据流。组合的概念直接来自于数学课本,从右向左执行更加能够反映数学上的含义。

所有的组合都有一个特性

// 结合律(associativity)
var associative = compose(f, compose(g, h)) == compose(compose(f, g), h);
// true

所以,如果我们想把字符串变为大写(假设headreversetoUpperCase 函数存在),可以这么写:

compose(toUpperCase, compose(head, reverse));

// 或者
compose(compose(toUpperCase, head), reverse);

结合律的一大好处是任何一个函数分组都可以被拆开来,然后再以它们自己的组合方式打包在一起。关于如何组合,并没有标准的答案——我们只是以自己喜欢的方式搭乐高积木罢了。

pointfree

pointfree 模式指的是,函数无须提及将要操作的数据是什么样的。一等公民的函数、柯里化(curry)以及组合协作起来非常有助于实现这种模式。

// 非 pointfree,因为提到了数据:word
var snakeCase = function (word) {
  return word.toLowerCase().replace(/\s+/ig, '_');
};

// pointfree
var snakeCase = compose(replace(/\s+/ig, '_'), toLowerCase);

利用 curry,我们能够做到让每个函数都先接收数据,然后操作数据,最后再把数据传递到下一个函数那里去。另外注意在 pointfree 版本中,不需要 word 参数就能构造函数;而在非 pointfree 的版本中,必须要有 word 才能进行一切操作。pointfree 模式能够帮助我们减少不必要的命名,让代码保持简洁和通用。

debug

如果在 debug 组合的时候遇到了困难,那么可以使用下面这个实用的,但是不纯的 trace 函数来追踪代码的执行情况。

var trace = curry(function(tag, x){
  console.log(tag, x);
  return x;
});

优势

  1. 更好的管理状态。因为它的宗旨是无状态,或者说更少的状态。而平常DOM的开发中,因为DOM的视觉呈现依托于状态变化,所以不可避免的产生了非常多的状态,而且不同组件可能还相互依赖。以FP来编程,能最大化的减少这些未知、优化代码、减少出错情况。
  2. 更简单的复用。极端的FP代码应该是每一行代码都是一个函数,当然我们不需要这么极端。我们尽量的把过程逻辑以更纯的函数来实现,固定输入->固定输出,没有其他外部变量影响,并且无副作用。这样代码复用时,完全不需要考虑它的内部实现和外部影响。
  3. 更优雅的组合。往大的说,网页是由各个组件组成的。往小的说,一个函数也可能是由多个小函数组成的。参考上面第二点,更强的复用性,带来更强大的组合性。
  4. 隐性好处。减少代码量,提高维护性。

缺点

  1. 性能:函数式编程相往往会对一个方法进行过度包装,从而产生上下文切换的性能开销。同时,在 JS 这种非函数式语言中,函数式的方式必然会比直接写语句指令慢(引擎会针对很多指令做特别优化)。
  2. 资源占用:在 JS 中为了实现对象状态的不可变,往往会创建新的对象,因此,它对垃圾回收(Garbage Collection)所产生的压力远远超过其他编程方式。这在某些场合会产生十分严重的问题。
  3. 递归陷阱:在函数式编程中,为了实现迭代,通常会采用递归操作,为了减少递归的性能开销,我们往往会把递归写成尾递归形式,以便让解析器进行优化。但是众所周知,JS 是不支持尾递归优化的.
  4. 代码不易读。特别熟悉FP的人可能会觉得这段代码一目了然。而不熟悉的人,遇到写的晦涩的代码,看懂代码,得脑子里先演算半小时。

前端领域,我们能看到很多函数式编程的影子:ES6 中加入了箭头函数,Redux 引入 Elm 思路降低 Flux 的复杂性,React16.6 开始推出 React.memo(),使得 pure functional components 成为可能,16.8 开始主推 Hook,建议使用 pure function 进行组件编写……

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参考文档:

  1. JavaScript函数式编程
  2. JavaScript 函数式编程到底是个啥
  3. 函数式编程指北