聪哥哥教你学Python之函数式编程

今天主要围绕这么几个方面谈谈函数式编程？

1.高阶函数

2.返回函数

3.匿名函数

4.装饰器

5.偏函数

有人会有疑问，聪哥哥请问什么是函数式编程?

引用百度百科的话说:

函数式编程是一种编程方式，它将电脑运算视为函数的计算。函数编程语言最重要的基础是λ(中文发音，兰亩达)演算（lambda calculus），而且λ演算的函数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，函数式编程强调函数的计算比指令的执行重要。

和过程化编程相比，函数式编程里函数的计算可随时调用。

 

引用廖雪峰先生的话说:

函数是Python内建支持的一种封装，我们通过把大段代码拆成函数，通过一层一层的函数调用，就可以把复杂任务分解成简单的任务，这种分解可以称之为面向过程的程序设计。函数就是面向过程的程序设计的基本单元。

而函数式编程（请注意多了一个“式”字）——Functional Programming，虽然也可以归结到面向过程的程序设计，但其思想更接近数学计算。

我们首先要搞明白计算机（Computer）和计算（Compute）的概念。

在计算机的层次上，CPU执行的是加减乘除的指令代码，以及各种条件判断和跳转指令，所以，汇编语言是最贴近计算机的语言。

而计算则指数学意义上的计算，越是抽象的计算，离计算机硬件越远。

对应到编程语言，就是越低级的语言，越贴近计算机，抽象程度低，执行效率高，比如C语言；越高级的语言，越贴近计算，抽象程度高，执行效率低，比如Lisp语言。

函数式编程就是一种抽象程度很高的编程范式，纯粹的函数式编程语言编写的函数没有变量，因此，任意一个函数，只要输入是确定的，输出就是确定的，这种纯函数我们称之为没有副作用。而允许使用变量的程序设计语言，由于函数内部的变量状态不确定，同样的输入，可能得到不同的输出，因此，这种函数是有副作用的。

函数式编程的一个特点就是，允许把函数本身作为参数传入另一个函数，还允许返回一个函数！

Python对函数式编程提供部分支持。由于Python允许使用变量，因此，Python不是纯函数式编程语言。

 

百度百科的话有点笼统，廖雪峰先生说的挺不错的。聪哥哥就不班门弄斧了。

下面进入正题:

 

一、高阶函数

高阶函数包含map/reduce、filter、sorted等。

1.map/reduce

map/reduce

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Python内建了map()和reduce()函数。

如果你读过Google的那篇大名鼎鼎的论文“MapReduce: Simplified Data Processing on Large Clusters”，你就能大概明白map/reduce的概念。

我们先看map。map()函数接收两个参数，一个是函数，一个是Iterable，map将传入的函数依次作用到序列的每个元素，并把结果作为新的Iterator返回。

举例说明，比如我们有一个函数f(x)=x2，要把这个函数作用在一个list [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]上，就可以用map()实现如下:

示例一:

# -*- coding: utf-8 -*-
def f(x):
     return x * x

r = map(f, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])
print(list(r))

2.filter

Python内建的filter()函数用于过滤序列。

和map()类似，filter()也接收一个函数和一个序列。和map()不同的是，filter()把传入的函数依次作用于每个元素，然后根据返回值是True还是False决定保留还是丢弃该元素。

例如，在一个list中，删掉偶数，只保留奇数，可以这么写：

示例二:

# -*- coding: utf-8 -*-
def is_odd(n):
    return n % 2 == 1

print(list(filter(is_odd, [1, 2, 4, 5, 6, 9, 10, 15])))

把一个序列中的空字符串删掉，可以这么写：

示例三:

# -*- coding: utf-8 -*-
def not_empty(s):
    return s and s.strip()

print(list(filter(not_empty, ['A', '', 'B', None, 'C', '  '])))

 

聪哥哥有话说:filter()的作用是从一个序列中筛出符合条件的元素。由于filter()使用了惰性计算，所以只有在取filter()结果的时候，才会真正筛选并每次返回下一个筛出的元素。

接下来或许有朋友会提出问题，什么是惰性计算?

引用百度百科:

惰性计算(Lazy Evaluation)，又称懒惰计算、懒汉计算，是一个计算机编程中的一个概念，它的目的是要最小化计算机要做的工作。

它有两个相关而又有区别的含意，可以表示为“延迟计算”和“短路求值”。除可以得到性能的提升外，惰性计算的最重要的好处是它可以构造一个无限的数据类型。

惰性计算的相反是热情计算，也叫做严格计算。这是一个大多数编程语言所拥有的普通计算方式。

 

3.sorted

排序也是在程序中经常用到的算法。无论使用冒泡排序还是快速排序，排序的核心是比较两个元素的大小。如果是数字，我们可以直接比较，但如果是字符串或者两个dict呢？直接比较数学上的大小是没有意义的，因此，比较的过程必须通过函数抽象出来。

 

Python内置的sorted()函数就可以对list进行排序：

示例四:

# -*- coding: utf-8 -*-
print(sorted([36, 5, -12, 9, -21]))

 

二、返回函数

返回函数又分两个，一个函数作为返回值，一个是闭包(闭包在前端领域比较流行)

1.函数作为返回值

高阶函数除了可以接受函数作为参数外，还可以把函数作为结果值返回。

我们来实现一个可变参数的求和。通常情况下，求和的函数是这样定义的：

示例五:

def calc_sum(*args):
    ax = 0
    for n in args:
        ax = ax + n
    return ax

但是，如果不需要立刻求和，而是在后面的代码中，根据需要再计算怎么办？可以不返回求和的结果，而是返回求和的函数：

示例六:

def lazy_sum(*args):
    def sum():
        ax = 0
        for n in args:
            ax = ax + n
        return ax
    return sum

当我们调用lazy_sum()时，返回的并不是求和结果，而是求和函数：

这个例子中，我们在函数lazy_sum中又定义了函数sum，并且，内部函数sum可以引用外部函数lazy_sum的参数和局部变量，当lazy_sum返回函数sum时，相关参数和变量都保存在返回的函数中，这种称为“闭包（Closure）”的程序结构拥有极大的威力。

2.闭包

注意到返回的函数在其定义内部引用了局部变量args，所以，当一个函数返回了一个函数后，其内部的局部变量还被新函数引用，所以，闭包用起来简单，实现起来可不容易。

另一个需要注意的问题是，返回的函数并没有立刻执行，而是直到调用了f()才执行。我们来看一个例子：

示例七:

# -*- coding: utf-8 -*-
def count():
    fs = []
    for i in range(1, 4):
        def f():
             return i*i
        fs.append(f)
    return fs

f1, f2, f3 = count()
print(f1())
print(f2())
print(f3())

在上面的例子中，每次循环，都创建了一个新的函数，然后，把创建的3个函数都返回了。

你可能认为调用f1()，f2()和f3()结果应该是1，4，9，但实际结果是：

如果一定要引用循环变量怎么办？方法是再创建一个函数，用该函数的参数绑定循环变量当前的值，无论该循环变量后续如何更改，已绑定到函数参数的值不变：

示例八:

# -*- coding: utf-8 -*-
def count():
    def f(j):
        def g():
            return j*j
        return g
    fs = []
    for i in range(1, 4):
        fs.append(f(i)) # f(i)立刻被执行，因此i的当前值被传入f()
    return fs

f1, f2, f3 = count()
print(f1())
print(f2())
print(f3())

结果如图:

闭包的缺点在于:代码较长，不过可利用lambda函数缩短代码。

聪哥哥怎么看?

(1)一个函数可以返回一个计算结果，也可以返回一个函数;

(2)返回一个函数时，牢记该函数并未执行，返回函数中不要引用任何可能会变化的变量。

 

三、匿名函数

当我们在传入函数时，有些时候，不需要显式地定义函数，直接传入匿名函数更方便。

在Python中，对匿名函数提供了有限支持。还是以map()函数为例，计算f(x)=x2时，除了定义一个f(x)的函数外，还可以直接传入匿名函数：

示例九:

# -*- coding: utf-8 -*-
print(list(map(lambda x: x * x, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])))

关键字lambda表示匿名函数，冒号前面的x表示函数参数。

匿名函数有个限制，就是只能有一个表达式，不用写return，返回值就是该表达式的结果。

用匿名函数有个好处，因为函数没有名字，不必担心函数名冲突。此外，匿名函数也是一个函数对象，也可以把匿名函数赋值给一个变量，再利用变量来调用该函数。

聪哥哥有话说:Python对匿名函数的支持有限，只有一些简单的情况下可以使用匿名函数。

 

四、装饰器

在Java中有一个设计模式叫装饰器模式。下面聪哥哥我借此分享下关于装饰器的知识

装饰器模式定义:

装饰器模式（Decorator Pattern）允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。这种类型的设计模式属于结构型模式，它是作为现有的类的一个包装。

这种模式创建了一个装饰类，用来包装原有的类，并在保持类方法签名完整性的前提下，提供了额外的功能。

我们通过下面的实例来演示装饰器模式的用法。其中，我们将把一个形状装饰上不同的颜色，同时又不改变形状类。

 

介绍:

意图：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，装饰器模式相比生成子类更为灵活。

主要解决：一般的，我们为了扩展一个类经常使用继承方式实现，由于继承为类引入静态特征，并且随着扩展功能的增多，子类会很膨胀。

何时使用：在不想增加很多子类的情况下扩展类。

如何解决：将具体功能职责划分，同时继承装饰者模式。

关键代码： 1、Component 类充当抽象角色，不应该具体实现。 2、修饰类引用和继承 Component 类，具体扩展类重写父类方法。

应用实例： 1、孙悟空有 72 变，当他变成"庙宇"后，他的根本还是一只猴子，但是他又有了庙宇的功能。 2、不论一幅画有没有画框都可以挂在墙上，但是通常都是有画框的，并且实际上是画框被挂在墙上。在挂在墙上之前，画可以被蒙上玻璃，装到框子里；这时画、玻璃和画框形成了一个物体。

优点：装饰类和被装饰类可以独立发展，不会相互耦合，装饰模式是继承的一个替代模式，装饰模式可以动态扩展一个实现类的功能。

缺点：多层装饰比较复杂。

使用场景： 1、扩展一个类的功能。 2、动态增加功能，动态撤销。

注意事项：可代替继承。

Python也是面向对象编程，后面也会有类的实例、继承、多态等等之类的概念，后续会讲解。

示例十:

# -*- coding: utf-8 -*-
import functools

def log(func):
    @functools.wraps(func)
    def wrapper(*args, **kw):
        print('call %s():' % func.__name__)
        return func(*args, **kw)
    return wrapper
	
print(log)

聪哥哥怎么看?

在面向对象（OOP）的设计模式中，decorator被称为装饰模式。OOP的装饰模式需要通过继承和组合来实现，而Python除了能支持OOP的decorator外，直接从语法层次支持decorator。Python的decorator可以用函数实现，也可以用类实现。decorator可以增强函数的功能，定义起来虽然有点复杂，但使用起来非常灵活和方便。

 

五、偏函数

Python的functools模块提供了很多有用的功能，其中一个就是偏函数（Partial function）。要注意，这里的偏函数和数学意义上的偏函数不一样。

在介绍函数参数的时候，我们讲到，通过设定参数的默认值，可以降低函数调用的难度。而偏函数也可以做到这一点。

例如:

int()函数可以把字符串转换为整数，当仅传入字符串时，int()函数默认按十进制转换：

# -*- coding: utf-8 -*-

import functools
int2 = functools.partial(int, base=2)
print(int2('1000000'))

聪哥哥有话说:当函数的参数个数太多，需要简化时，使用functools.partial可以创建一个新的函数，这个新函数可以固定住原函数的部分参数，从而在调用时更简单。

小结:

其实聪哥哥我对于上述部分内容也不是特别理解，其实也不明白，但是学习这东西不能仅仅因为暂时不明白某个地方，而停滞。

这就好像开发的过程中，产品那边提出某个问题，那个问题，即属于业务逻辑方面，又属于技术方面的，那个任务属于紧急但不重要的评级。这时可以放放，因为当某个时候，突然大脑灵光闪现，就会顿时明白知道怎么解决，我们将这个东西称之为灵感。