函数式编程了解一下

Question

函数式编程是一种编程范式，我们常见的编程范式有命令式编程（Imperative programming），函数式编程，逻辑式编程，常见的面向对象编程是也是一种命令式编程。

命令式编程是面向计算机硬件的抽象，有变量（对应着存储单元），赋值语句（获取，存储指令），表达式（内存引用和算术运算）和控制语句（跳转指令），一句话，命令式程序就是一个冯诺依曼机的指令序列。

而函数式编程是面向数学的抽象，将计算描述为一种表达式求值，一句话，函数式程序就是一个表达式。

为什么函数式编程要求函数必须是纯的，不能有副作用？因为它是一种数学运算，原始目的就是求值，不做其他事情，否则就无法满足函数运算法则了。

本质

函数式编程中的函数这个术语不是指计算机中的函数（实际上是Subroutine），而是指数学中的函数，即自变量的映射。也就是说一个函数的值仅决定于函数参数的值，不依赖其他状态。比如sqrt(x)函数计算x的平方根，只要x不变，不论什么时候调用，调用几次，值都是不变的。

在函数式语言中，函数作为一等公民，可以在任何地方定义，在函数内或函数外，可以作为函数的参数和返回值，可以对函数进行组合。

纯函数式编程语言中的变量也不是命令式编程语言中的变量，即存储状态的单元，而是代数中的变量，即一个值的名称。变量的值是不可变的（immutable），也就是说不允许像命令式编程语言中那样多次给一个变量赋值。比如说在命令式编程语言我们写“x = x + 1”，这依赖可变状态的事实，拿给程序员看说是对的，但拿给数学家看，却被认为这个等式为假。

函数式语言的如条件语句，循环语句也不是命令式编程语言中的控制语句，而是函数的语法糖，比如在Scala语言中，if else不是语句而是三元运算符，是有返回值的。

严格意义上的函数式编程意味着不使用可变的变量，赋值，循环和其他命令式控制结构进行编程。

从理论上说，函数式语言也不是通过冯诺伊曼体系结构的机器上运行的，而是通过λ演算来运行的，就是通过变量替换的方式进行，变量替换为其值或表达式，函数也替换为其表达式，并根据运算符进行计算。λ演算是图灵完全（Turing completeness）的，但是大多数情况，函数式程序还是被编译成（冯诺依曼机的）机器语言的指令执行的。

特点

不可变性

不可变数据是指该变量在创建是会固定一个值之后不能再修改；
对不可变数据（对象）操作后返回一个新的对象；

引用透明（Referential transparency）

函数的返回值只依赖于其输入值，这种特性就称为引用透明性

没有副作用

只要是跟函数外部环境发生的交互就都是副作用。从“副作用”这个词语来看，它更多的情况在于“改变系统状态”。

好处

函数式的最主要的好处主要是不可变性带来的。

没有可变的状态，函数就是引用透明（Referential transparency）的和没有副作用（No Side Effect）。

并且，函数即不依赖外部的状态也不修改外部的状态，函数调用的结果不依赖调用的时间和位置，这样写的代码容易进行推理，不容易出错。这使得单元测试和调试都更容易。

不变性带来的另一个好处是：由于（多个线程之间）不共享状态，不会造成资源争用(Race condition)，也就不需要用锁来保护可变状态，也就不会出现死锁，这样可以更好地并发起来，尤其是在对称多处理器（SMP）架构下能够更好地利用多个处理器（核）提供的并行处理能力。

由于函数是引用透明的，以及函数式编程不像命令式编程那样关注执行步骤，这个系统提供了优化函数式程序的空间，包括惰性求值和并性处理。

还有一个好处是，由于函数式语言是面向数学的抽象，更接近人的语言，而不是机器语言，代码会比较简洁，也更容易被理解。

限制

不能使用循环操作，严重依赖递归

同样由于变量不可变，纯函数编程语言无法实现循环，这是因为For循环使用可变的状态作为计数器，而While循环或DoWhile循环需要可变的状态作为跳出循环的条件。因此在函数式语言里就只能使用递归来解决迭代问题，这使得函数式编程严重依赖递归。

尾递归调用

当然，这样的递归调用有更高的开销和局限（调用栈深度），那么尽量把递归写成尾递归的方式，编译器会自动优化为循环，这里就不展开介绍了。 一般来说，递归这种方式于循环相比被认为是更符合人的思维的，即告诉机器做什么，而不是告诉机器怎么做。递归还是有很强大的表现力的。

用途

• 高阶函数（Higher-order function）
• 偏应用函数（Partially Applied Functions）
• 柯里化（Currying）
• 闭包（Closure）

高阶函数提供了一种函数级别上的依赖注入（或反转控制）机制。高阶函数的逻辑依赖于注入进来的函数的逻辑。

Reference

什么是函数式编程思维？