函數(shù)式編程

函數(shù)式編程是種編程范式，它將電腦運算視為函數(shù)的計算。函數(shù)編程語言最重要的基礎(chǔ)是 λ 演算（lambda calculus）。而且λ演算的函數(shù)可以接受函數(shù)當(dāng)作輸入（參數(shù)）和輸出（返回值）。和指令式編程相比，函數(shù)式編程強調(diào)函數(shù)的計算比指令的執(zhí)行重要。和過程化編程相比，函數(shù)式編程里，函數(shù)的計算可隨時調(diào)用。

一、定義

簡單說，"函數(shù)式編程"是一種"編程范式"（programming paradigm），也就是如何編寫程序的方法論。
它屬于"結(jié)構(gòu)化編程"的一種，主要思想是把運算過程盡量寫成一系列嵌套的函數(shù)調(diào)用。舉例來說，現(xiàn)在有這樣一個數(shù)學(xué)表達式：

　　(1 + 2) * 3 - 4

傳統(tǒng)的過程式編程，可能這樣寫：

　　var a = 1 + 2;
　　var b = a * 3;
　　var c = b - 4;

函數(shù)式編程要求使用函數(shù)，我們可以把運算過程定義為不同的函數(shù)，然后寫成下面這樣：

　　var result = subtract(multiply(add(1,2), 3), 4);

這就是函數(shù)式編程。

二、特點

函數(shù)式編程具有五個鮮明的特點。

1. 函數(shù)是"第一等公民"

所謂"第一等公民"（first class），指的是函數(shù)與其他數(shù)據(jù)類型一樣，處于平等地位，可以賦值給其他變量，也可以作為參數(shù)，傳入另一個函數(shù)，或者作為別的函數(shù)的返回值。
舉例來說，下面代碼中的print變量就是一個函數(shù)，可以作為另一個函數(shù)的參數(shù)。

　　var print = function(i){ console.log(i);};
　　[1,2,3].forEach(print);

2. 只用"表達式"，不用"語句"

"表達式"（expression）是一個單純的運算過程，總是有返回值；"語句"（statement）是執(zhí)行某種操作，沒有返回值。函數(shù)式編程要求，只使用表達式，不使用語句。也就是說，每一步都是單純的運算，而且都有返回值。
原因是函數(shù)式編程的開發(fā)動機，一開始就是為了處理運算（computation），不考慮系統(tǒng)的讀寫（I/O）。"語句"屬于對系統(tǒng)的讀寫操作，所以就被排斥在外。
當(dāng)然，實際應(yīng)用中，不做I/O是不可能的。因此，編程過程中，函數(shù)式編程只要求把I/O限制到最小，不要有不必要的讀寫行為，保持計算過程的單純性。

3. 沒有"副作用"

所謂"副作用"（side effect），指的是函數(shù)內(nèi)部與外部互動（最典型的情況，就是修改全局變量的值），產(chǎn)生運算以外的其他結(jié)果。
函數(shù)式編程強調(diào)沒有"副作用"，意味著函數(shù)要保持獨立，所有功能就是返回一個新的值，沒有其他行為，尤其是不得修改外部變量的值。

4. 不修改狀態(tài)

上一點已經(jīng)提到，函數(shù)式編程只是返回新的值，不修改系統(tǒng)變量。因此，不修改變量，也是它的一個重要特點。
在其他類型的語言中，變量往往用來保存"狀態(tài)"（state）。不修改變量，意味著狀態(tài)不能保存在變量中。函數(shù)式編程使用參數(shù)保存狀態(tài)，最好的例子就是遞歸。下面的代碼是一個將字符串逆序排列的函數(shù)，它演示了不同的參數(shù)如何決定了運算所處的"狀態(tài)"。

　　function reverse(string) {
　　　　if(string.length == 0) {
　　　　　　return string;
　　　　} else {
　　　　　　return reverse(string.substring(1, string.length)) + string.substring(0, 1);
　　　　}
　　}

由于使用了遞歸，函數(shù)式語言的運行速度比較慢，這是它長期不能在業(yè)界推廣的主要原因。

5. 引用透明

引用透明（Referential transparency），指的是函數(shù)的運行不依賴于外部變量或"狀態(tài)"，只依賴于輸入的參數(shù)，任何時候只要參數(shù)相同，引用函數(shù)所得到的返回值總是相同的。
有了前面的第三點和第四點，這點是很顯然的。其他類型的語言，函數(shù)的返回值往往與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)，不同的狀態(tài)之下，返回值是不一樣的。這就叫"引用不透明"，很不利于觀察和理解程序的行為。

三、意義

函數(shù)式編程到底有什么好處，為什么會變得越來越流行？

1. 代碼簡潔，開發(fā)快速

函數(shù)式編程大量使用函數(shù)，減少了代碼的重復(fù)，因此程序比較短，開發(fā)速度較快。
Paul Graham在《黑客與畫家》一書中寫道：同樣功能的程序，極端情況下，Lisp代碼的長度可能是C代碼的二十分之一。
如果程序員每天所寫的代碼行數(shù)基本相同，這就意味著，"C語言需要一年時間完成開發(fā)某個功能，Lisp語言只需要不到三星期。反過來說，如果某個新功能，Lisp語言完成開發(fā)需要三個月，C語言需要寫五年。"當(dāng)然，這樣的對比故意夸大了差異，但是"在一個高度競爭的市場中，即使開發(fā)速度只相差兩三倍，也足以使得你永遠處在落后的位置。"

2. 接近自然語言，易于理解

函數(shù)式編程的自由度很高，可以寫出很接近自然語言的代碼。
前文曾經(jīng)將表達式(1 + 2) * 3 - 4，寫成函數(shù)式語言：
　　subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)
對它進行變形，不難得到另一種寫法：
　　add(1,2).multiply(3).subtract(4)
這基本就是自然語言的表達了。再看下面的代碼，大家應(yīng)該一眼就能明白它的意思吧：
　　merge([1,2],[3,4]).sort().search("2")
因此，函數(shù)式編程的代碼更容易理解。

3. 更方便的代碼管理

函數(shù)式編程不依賴、也不會改變外界的狀態(tài)，只要給定輸入?yún)?shù)，返回的結(jié)果必定相同。因此，每一個函數(shù)都可以被看做獨立單元，很有利于進行單元測試（unit testing）和除錯（debugging），以及模塊化組合。

4. 易于"并發(fā)編程"

函數(shù)式編程不需要考慮"死鎖"（deadlock），因為它不修改變量，所以根本不存在"鎖"線程的問題。不必擔(dān)心一個線程的數(shù)據(jù)，被另一個線程修改，所以可以很放心地把工作分?jǐn)偟蕉鄠€線程，部署"并發(fā)編程"（concurrency）。
請看下面的代碼：
　　var s1 = Op1();
　　var s2 = Op2();
　　var s3 = concat(s1, s2);
由于s1和s2互不干擾，不會修改變量，誰先執(zhí)行是無所謂的，所以可以放心地增加線程，把它們分配在兩個線程上完成。其他類型的語言就做不到這一點，因為s1可能會修改系統(tǒng)狀態(tài)，而s2可能會用到這些狀態(tài)，所以必須保證s2在s1之后運行，自然也就不能部署到其他線程上了。
多核CPU是將來的潮流，所以函數(shù)式編程的這個特性非常重要。

5. 代碼的熱升級

函數(shù)式編程沒有副作用，只要保證接口不變，內(nèi)部實現(xiàn)是外部無關(guān)的。所以，可以在運行狀態(tài)下直接升級代碼，不需要重啟，也不需要停機。Erlang語言早就證明了這一點，它是瑞典愛立信公司為了管理電話系統(tǒng)而開發(fā)的，電話系統(tǒng)的升級當(dāng)然是不能停機的。