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本文将描述函数式编程的基本理论,从而让你理解什么是函数式编程,同时也会展示“函数式编程”和“面向对象”这两种不同风格的编程范式之间的区别。本文是函数式编程系列的入门篇,后续文章陆续会发出。

什么是函数

函数式编程背后的理论依据是数学,数学函数背后有一系列有意思的特点,而函数式编程语言则试图模拟这些特性。
让我们先来看一个简单的数学函数:

y =  x + 1

这个数学函数的意图是显而易见的,给定一个变量x然后返回x + 1, 上面的数学函数用C#来表示:

public int Add1(int x)
{
    return x + 1;
}

数学函数跟我们用命令式语言编写的函数相比有两个明显的区别:

  • 同一个输入在数学函数里总能得到相同的返回值
  • 数学函数没有副作用
  • 输入值和输出值是不变的(immutable)

这三个区别具体是什么意思呢?

同一个输入在数学函数里总能得到相同的返回值

在命令式语言(imperative programming)中,我们总是在函数内部做一些计算和处理,然后返回最终结果。在数学函数中没有计算和处理,你可以认为数学函数的返回值是对输入值的一一映射。上面提到的数学函数极端定义如下:

int Add1(int x)
{ 
   switch (x)
   {
   case 0: return 1;
   case 1: return 2;
   case 2: return 3;
   case 3: return 4;
   //...
   }
}

当然现实环境中我们不会写出这样的代码,但是数学函数的思想是类似的,里面没有对事情的处理逻辑。
关于命令式语言和声明式语言的区别看这里:命令式语言和声明式语言的区别

数学函数没有副作用

数学函数所做的事就是根据每一个输入返回不同的输出,整个过程没有对输入值做任何改变,在返回输出的过程中也没有对其他的任何环境造成影响,在函数式语言里这样的函数被称为纯函数

输入值和输出值是不变的

immutable使得代码更加具有预测性,考虑下面的代码:

public int Add1(int x)
{
    x = 2;
    return x + 1;
}

public void InvokeAdd1()
{
    var x = 10;
    var y = Add1(x);

    Console.WriteLine($"x={x}, y={y}");
}

你试图在Add1函数中实现y = x + 1,但是由于失误将x的值改为了2,从而导致了一个bug,immutable则强制你无法修改x的值,一旦初始化就不能再修改。显然C#默认是mutable的,但在常见的函数式语言中,变量声明式immutable的,比如在F#中将x初始化为6然后再修改为7会编译出错:

let x = 6
x <- 7

作为一个修炼命令式语言多年的开发者也许会内心充满疑问,无法修改变量真的靠谱?答案是肯定的,在后面的文章中将会展示这种用法。

纯函数带来的好处

看似不起眼的三个特点实际上会带来非常强大的益处,所以函数式编程语言则试图把这三个特性带到他们的设计当中。

得益于纯函数的这种特点,对同一个输入无论你重复调用多次,都会返回同样的结果,并且没有副作用,因此:

  • 所有的调用可以使并行的。 加入你想用1到10000之间的数字去调用Add1函数,你可以把这些计算过程分配到10个不同的CPU上并行执行,由于所有的调用都是没有副作用的,所以你不需要使用命令式语言中的锁机制就能完成任务;
  • 懒加载成为现实,你可以在真正需要结果的时候去执行计算,因为你可以保证在任何时刻对同一个输入返回的结果总是相同的
  • 你可以对函数的计算结果进行缓存,因为相同的输入总能得到相同的结果,所以可以轻而易举的对函数增减缓存功能

后续文章即将发出,请想了解函数式编程的童鞋支持并关注。