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《Kotin 极简教程》第8章 函数式编程(FP)


第8章 函数式编程(FP)

值就是函数,函数就是值。所有函数都消费函数,所有函数都生产函数。

"函数式编程", 又称泛函编程, 是一种"编程范式"(programming paradigm),也就是如何编写程序的方法论。它的基础是 λ 演算(lambda calculus)。λ演算可以接受函数当作输入(参数)和输出(返回值)。

和指令式编程相比,函数式编程的思维方式更加注重函数的计算。它的主要思想是把问题的解决方案写成一系列嵌套的函数调用。

就像在OOP中,一切皆是对象,编程的是由对象交合创造的世界;
在FP中,一切皆是函数,编程的世界是由函数交合创造的世界。

函数式编程中最古老的例子莫过于1958年被创造出来的Lisp了。Lisp由约翰·麦卡锡(John McCarthy,1927-2011)在1958年基于λ演算所创造,采用抽象数据列表与递归作符号演算来衍生人工智能。较现代的例子包括Haskell、ML、Erlang等。现代的编程语言对函数式编程都做了不同程度的支持,例如:JavaScript, Coffee Script,PHP,Perl,Python, Ruby, C# , Java 等等(这将是一个不断增长的列表)。

函数式语言在Java 虚拟机(JVM)平台上也迅速地崭露头角,例如Scala 、Clojure ; .NET 平台也不例外,例如:F# 。

函数作为Kotlin中的一等公民,可以像其他对象一样作为函数的输入与输出。关于对函数式编程的支持,相对于Scala的学院派风格,Kotlin则是纯的的工程派:实用性、简洁性上都要比Scala要好。

本章我们来一起学习函数式编程以及在Kotlin中使用函数式编程的相关内容。

8.1 函数式编程概述

函数式编程思想是一个非常古老的思想。我们简述如下:

  • 我们就从1900 年 David Hilbert 的第 10 问题(能否通过有限步骤来判定不定方程是否存在有理整数解?) 开始说起吧。
  • 1920,Schönfinkel,组合子逻辑(combinatory logic)。直到 Curry Haskell 1927 在普林斯顿大学当讲师时重新发现了 Moses Schönfinkel 关于组合子逻辑的成果。Moses Schönfinkel的成果预言了很多 Curry 在做的研究,于是他就跑去哥廷根大学与熟悉Moses Schönfinkel工作的Heinrich Behmann、Paul Bernays两人一起工作,并于 1930 年以一篇组合子逻辑的论文拿到了博士学位。Curry Brooks Haskell 整个职业生涯都在研究组合子,实际开创了这个研究领域,λ演算中用单参数函数来表示多个参数函数的方法被称为 Currying (柯里化),虽然 Curry 同学多次指出这个其实是 Schönfinkel 已经搞出来的,不过其他人都是因为他用了才知道,所以这名字就这定下来了;并且有三门编程语言以他的名字命名,分别是:Curry, Brooks, Haskell。Curry 在 1928 开始开发类型系统,他搞的是基于组合子的 polymorphic,Church 则建立了基于函数的简单类型系统。
  • 1929, 哥德尔(Kurt Gödel )完备性定理。Gödel 首先证明了一个形式系统中的所有公式都可以表示为自然数,并可以从一自然数反过来得出相应的公式。这对于今天的程序员都来说,数字编码、程序即数据计算机原理最核心、最基本的常识,在那个时代却脑洞大开的创见。
  • 1933,λ 演算。 Church 在 1933 年搞出来一套以纯λ演算为基础的逻辑,以期对数学进行形式化描述。 λ 演算和递归函数理论就是函数式编程的基础。
  • 1936,确定性问题(decision problem,德文 Entscheidungsproblem (发音 [ɛntˈʃaɪ̯dʊŋspʁoˌbleːm])。 Alan Turing 和 Alonzo Church,两人在同在1936年独立给出了否定答案。

1935-1936这个时间段上,我们有了三个有效计算模型:通用图灵机、通用递归函数、λ可定义。Rosser 1939 年正式确认这三个模型是等效的。

  • 1953-1957,FORTRAN (FORmula TRANslating ),John Backus。1952 年 Halcombe Laning 提出了直接输入数学公式的设想,并制作了 GEORGE编译器演示该想法。受这个想法启发,1953 年 IBM 的 John Backus 团队给 IBM 704 主机研发数学公式翻译系统。第一个 FORTRAN (FORmula TRANslating 的缩写)编译器 1957.4 正式发行。FORTRAN 程序的代码行数比汇编少20倍。FORTRAN 的成功,让很多人认识到直接把代数公式输入进电脑是可行的,并开始渴望能用某种形式语言直接把自己的研究内容输入到电脑里进行运算。John Backus 在1970年代搞了 FP 语言,1977 年发表。虽然这门语言并不是最早的函数式编程语言,但他是 Functional Programming 这个词儿的创造者, 1977 年他的图灵奖演讲题为[“Can Programming Be Liberated From the von Neumann Style? A Functional Style and its Algebra of Programs”]
  • 1956, LISP, John McCarthy。John McCarthy 1956年在 Dartmouth一台 IBM 704 上搞人工智能研究时,就想到要一个代数列表处理(algebraic list processing)语言。他的项目需要用某种形式语言来编写语句,以记录关于世界的信息,而他感觉列表结构这种形式挺合适,既方便编写,也方便推演。于是就创造了LISP。正因为是在 IBM 704 上开搞的,所以 LISP 的表处理函数才会有奇葩的名字: car/cdr 什么的。其实是取 IBM704 机器字的不同部分,c=content of,r=register number, a=address part, d=decrement part 。

8.1.1 面向对象编程(OOP)与面向函数编程(FOP)

面向对象编程(OOP)

在OOP中,一切皆是对象。

在面向对象的命令式(imperative)编程语言里面,构建整个世界的基础是类和类之间沟通用的消息,这些都可以用类图(class diagram)来表述。《设计模式:可复用面向对象软件的基础》(Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software,作者ErichGamma、Richard Helm、Ralph Johnson、John Vlissides)一书中,在每一个模式的说明里都附上了至少一幅类图。

OOP 的世界提倡开发者针对具体问题建立专门的数据结构,相关的专门操作行为以“方法”的形式附加在数据结构上,自顶向下地来构建其编程世界。

OOP追求的是万事万物皆对象的理念,自然地弱化了函数。例如:函数无法作为普通数据那样来传递(OOP在函数指针上的约束),所以在OOP中有各种各样的、五花八门的设计模式。

GoF所著的《设计模式-可复用面向对象软件的基础》从面向对象设计的角度出发的,通过对封装、继承、多态、组合等技术的反复使用,提炼出一些可重复使用的面向对象设计技巧。而多态在其中又是重中之重。

多态、面向接口编程、依赖反转等术语,描述的思想其实是相同的。这种反转模式实现了模块与模块之间的解耦。这样的架构是健壮的, 而为了实现这样的健壮系统,在系统架构中基本都需要使用多态性。

绝大部分设计模式的实现都离不开多态性的思想。换一种说法就是,这些设计模式背后的本质其实就是OOP的多态性,而OOP中的多态本质上又是受约束的函数指针。

引用Charlie Calverts对多态的描述: “多态性是允许你将父对象设置成为和一个或更多的他的子对象相等的技术,赋值之后,父对象就可以根据当前赋值给它的子对象的特性以不同的方式运作。”

简单的说,就是一句话:允许将子类类型的指针赋值给父类类型的指针。而我们在OOP中的那么多的设计模式,其实就是在OOP的多态性的约束规则下,对这些函数指针的调用模式的总结。

很多设计模式,在函数式编程中都可以用高阶函数来代替实现:

面向函数编程(FOP)

在FP中,一切皆是函数。

函数式编程(FP)是关于不变性和函数组合的一种编程范式。

函数式编程语言实现重用的思路很不一样。函数式语言提倡在有限的几种关键数据结构(如list、set、map)上 , 运用函数的组合 ( 高阶函数) 操作,自底向上地来构建世界。

当然,我们在工程实践中,是不能极端地追求纯函数式的编程的。一个简单的原因就是:性能和效率。例如:对于有状态的操作,命令式操作通常会比声明式操作更有效率。纯函数式编程是解决某些问题的伟大工具,但是在另外的一些问题场景中,并不适用。因为副作用总是真实存在。

OOP喜欢自顶向下架构层层分解(解构),FP喜欢自底向上层层组合(复合)。 而实际上,编程的本质就是次化分解与复合的过程。通过这样的过程,创造一个美妙的逻辑之塔世界。

我们经常说一些代码片段是优雅的或美观的,实际上意味着它们更容易被人类有限的思维所处理。

对于程序的复合而言,好的代码是它的表面积要比体积增长的慢。
代码块的“表面积”是是我们复合代码块时所需要的信息(接口API协议定义)。代码块的“体积”就是接口内部的实现逻辑(API内部的实现代码)。

在OOP中,一个理想的对象应该是只暴露它的抽象接口(纯表面, 无体积),其方法则扮演箭头的角色。如果为了理解一个对象如何与其他对象进行复合,当你发现不得不深入挖掘对象的实现之时,此时你所用的编程范式的原本优势就荡然无存了。

FP通过函数组合来构造其逻辑系统。FP倾向于把软件分解为其需要执行的行为或操作,而且通常采用自底向上的方法。函数式编程也提供了非常强大的对事物进行抽象和组合的能力。

在FP里面,函数是“一类公民”(first-class)。它们可以像1, 2, "hello",true,对象…… 之类的“值”一样,在任意位置诞生,通过变量,参数和数据结构传递到其它地方,可以在任何位置被调用。

而在OOP中,很多所谓面向对象设计模式(design pattern),都是因为面向对象语言没有first-class function(对应的是多态性),所以导致了每个函数必须被包在一个对象里面(受约束的函数指针)才能传递到其它地方。

匀称的数据结构 + 匀称的算法

在面向对象式的编程中,一切皆是对象(偏重数据结构、数据抽象,轻算法)。我们把它叫做:胖数据结构-瘦算法(FDS-TA)。

在面向函数式的编程中,一切皆是函数(偏重算法,轻数据结构)。我们把它叫做:瘦数据结构-胖算法(TDS-FA)。

可是,这个世界很复杂,你怎么能说一切皆是啥呢?真实的编程世界,自然是匀称的数据结构结合匀称的算法(SDS-SA)来创造的。

我们在编程中,不可能使用纯的对象(对象的行为方法其实就是函数),或者纯的函数(调用函数的对象、函数操作的数据其实就是数据结构)来创造一个完整的世界。如果数据结构算法,那么在解决实际问题中,往往是阴阳交合而成世界。还是那句经典的:

程序 = 匀称的数据结构 + 匀称的算法

我们用一幅图来简单说明:

函数与映射

一切皆是映射。函数式编程的代码主要就是“对映射的描述”。我们说组合是编程的本质,其实,组合就是建立映射关系。

一个函数无非就是从输入到输出的映射,写成数学表达式就是:

f: X -> Y
p:Y -> Z
p(f) : X ->Z

用编程语言表达就是:

fun f(x:X) : Y{}
fun p(y:Y) : Z{}
fun fp(f: (X)->Y, p: (Y)->Z) : Z {
    return {x -> p(f(x))}
}

8.1.2 函数式编程基本特性

在经常被引用的论文 “Why Functional Programming Matters” 中,作者 John Hughes 说明了模块化是成功编程的关键,而函数编程可以极大地改进模块化。

在函数编程中,我们有一个内置的框架来开发更小的、更简单的和更一般化的模块, 然后将它们组合在一起。

函数编程的一些基本特点包括:

  • 函数是"第一等公民"。
  • 闭包(Closure)和高阶函数(Higher Order Function)。
  • Lambda演算与函数柯里化(Currying)。
  • 懒惰计算(lazy evaluation)。
  • 使用递归作为控制流程的机制。
  • 引用透明性。
  • 没有副作用。

8.1.3 组合与范畴

函数式编程的本质是函数的组合,组合的本质是范畴(Category)。

和搞编程的一样,数学家喜欢将问题不断加以抽象从而将本质问题抽取出来加以论证解决,范畴论就是这样一门以抽象的方法来处理数学概念的学科,主要用于研究一些数学结构之间的映射关系(函数)。

在范畴论里,一个范畴(category)由三部分组成:

  • 对象(object).
  • 态射(morphism).
  • 组合(composition)操作符,

范畴的对象

这里的对象可以看成是一类东西,例如数学上的群,环,以及有理数,无理数等都可以归为一个对象。对应到编程语言里,可以理解为一个类型,比如说整型,布尔型等。

态射

态射指的是一种映射关系,简单理解,态射的作用就是把一个对象 A 里的值 a 映射为 另一个对象 B 里的值 b = f(a),这就是映射的概念。

态射的存在反映了对象内部的结构,这是范畴论用来研究对象的主要手法:对象内部的结构特性是通过与别的对象的映射关系反映出来的,动静是相对的,范畴论通过研究映射关系来达到探知对象的内部结构的目的。

组合操作符

组合操作符,用点(.)表示,用于将态射进行组合。组合操作符的作用是将两个态射进行组合,例如,假设存在态射 f: A -> B, g: B -> C, 则 g.f : A -> C.

一个结构要想成为一个范畴, 除了必须包含上述三样东西,它还要满足以下三个限制:

  • 结合律: f.(g.h) = (f.g).h 。
  • 封闭律:如果存在态射 f, g,则必然存在 h = f.g 。
  • 同一律:对结构中的每一个对象 A, 必须存在一个单位态射 Ia: A -> A, 对于单位态射,显然,对任意其它态射 f, 有 f.I = f。

在范畴论里另外研究的重点是范畴与范畴之间的关系,就正如对象与对象之间有态射一样,范畴与范畴之间也存在映射关系,从而可以将一个范畴映射为另一个范畴,这种映射在范畴论中叫作函子(functor),具体来说,对于给定的两个范畴 A 和 B, 函子的作用有两个:

  • 将范畴 A 中的对象映射到范畴 B 中的对象。
  • 将范畴 A 中的态射映射到范畴 B 中的态射。

显然,函子反映了不同的范畴之间的内在联系。跟函数和泛函数的思想是相同的。

而我们的函数式编程探究的问题与思想理念可以说是跟范畴论完全吻合。如果把函数式编程的整个的世界看做一个对象,那么FP真正搞的事情就是建立通过函数之间的映射关系,来构建这样一个美丽的编程世界。

很多问题的解决(证明)其实都不涉及具体的(数据)结构,而完全可以只依赖映射之间的组合运算(composition)来搞定。这就是函数式编程的核心思想。

如果我们把程序看做图论里面的一张图G,数据结构当作是图G的节点Node(数据结构,存储状态), 而算法逻辑就是这些节点Node之间的Edge (数据映射,Mapping), 那么这整幅图 G(N,E) 就是一幅美妙的抽象逻辑之塔的 映射图 , 也就是我们编程创造的世界:

函数是"第一等公民"

函数式编程(FP)中,函数是"第一等公民"。

所谓"第一等公民"(first class),有时称为 闭包或者 仿函数(functor)对象,
指的是函数与其他数据类型一样,处于平等地位,可以赋值给其他变量,也可以作为参数,传入另一个函数,或者作为别的函数的返回值。这个以函数为参数的概念,跟C语言中的函数指针类似。

举例来说,下面代码中的print变量就是一个函数(没有函数名),可以作为另一个函数的参数:

>>> val print = fun(x:Any){println(x)}
>>> listOf(1,2,3).forEach(print)
1
2
3

高阶函数(Higher order Function)

FP 语言支持高阶函数,高阶函数就是多阶映射。高阶函数用另一个函数作为其输入参数,也可以返回一个函数作为输出。

代码示例:

fun isOdd(x: Int) = x % 2 != 0
fun length(s: String) = s.length

fun <A, B, C> compose(f: (B) -> C, g: (A) -> B): (A) -> C {
    return { x -> f(g(x)) }
}

测试代码:

fun main(args: Array<String>) {
    val oddLength = compose(::isOdd, ::length)
    val strings = listOf("a", "ab", "abc")
    println(strings.filter(oddLength)) // [a, abc]
}

这个compose函数,其实就是数学中的复合函数的概念,这是一个高阶函数的例子:传入的两个参数f , g都是函数,其返回值也是函数。

图示如下:

这里的

fun <A, B, C> compose(f: (B) -> C, g: (A) -> B): (A) -> C 

中类型参数对应:

fun <String, Int, Boolean> compose(f: (Int) -> Boolean, g: (String) -> Int): (String) -> Boolean

这里的(Int) -> Boolean (String) -> Int (String) -> Boolean 都是函数类型。

其实,从映射的角度看,就是二阶映射。对[a, ab, abc] 中每个元素 x 先映射成长度g(x) = 1, 2, 3 , 再进行第二次映射:f(g(x)) %2 != 0 , 长度是奇数?返回值是true的被过滤出来。

有了高阶函数,我们可以用优雅的方式进行模块化编程。

另外,高阶函数满足结合律:

λ演算 (Lambda calculus 或者 λ-calculus)

kotlin

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