JavaScript 函数式编程初窥

编程范式

编程范式是：解决编程中的问题的过程中使用到的一种模式，体现在思考问题的方式和代码风格上。这点很像语言，语言本身会体现出不同国家的人的思考方式和行为模式。

常见的编程范式有下面几种：

• 命令式编程
• 面向对象编程
• 函数式编程

除了这三个之外，我们还会接触到其他的编程范式，如：声明式。

编程范式之间不是互斥关系，而是可以结合在一起使用的。我们往往需要结合各种编程范式来完成一个程序功能。

在学习写代码的过程中，我们一般先接触命令式编程，然后学习面向对象编程，面向对象编程可以让我们很方便地处理更复杂的问题。这篇文章里，我们会介绍函数式编程。

不同的编程范式有不同的代码表现

image.png

比如从来没有坐过电梯的人，第一次坐电梯，电梯在 10 楼，人在 1 楼，他会按下，让电梯下来。按错按钮是因为他用了祈使语，而不是把自己的想法提交出去。

相似地，你写的代码就像电梯的按钮界面，是让自己或者他人阅读的。只有达成了相同的共识才能更好地理解。通过这次文章可以让大家更好地理解函数式编程。

下面是几种编程范式的代码片段：

const app = 'github';
const greeting = 'Hi, this is ';
console.log(greeting + app);

这是命令式编程，通过调用 const 和 console.log 进行赋值和输出。

const Program = function() {
    this.app = 'github';
    this.greeting = function() {
        console.log('Hi, this is ' + this.app);
    };
};
const program = new Program();
program.greeting();

这是面向对象编程，我们把整个程序抽象成现实生活中的一个对象，这个对象会包含属性和方法。通过类的概念，我们有了生成对象的一个工厂。使用 new 关键字创建一个对象，最后调用对象的方法，也能完成刚才我们用命令式编程完成的程序功能。

const greet = function(app) {
    return 'Hi, this is ' + app;
};
console.log(greet('github'));

这是简单的函数式编程，通过函数的调用完成程序的功能。但是一般情况下的函数式编程会更复杂一些，会包含函数的组合。

不同的编程范式适用的场景不同

• 命令式编程：流程顺序
• 面向对象编程：物体
• 函数式语言：数据处理

我们往往会在不同场景下使用不同的编程范式，通过编程范式的结合来实现一个程序。

我们通过命令式编程去让程序按步骤地执行操作。

面向对象编程则是把程序抽象成和现实生活中的物体一样的对象，对象上有属性和方法，通过对象之间的修改属性和调用方法来完成程序设计。

而函数式编程则适用于数据运算和处理。

再仔细看下之前的代码，我们就会发现这些编程范式往往是要结合起来使用的。

const app = 'github';
const greeting = 'Hi, this is ';
console.log(greeting + app);

这个例子里面，除了命令式之外，我们还可以把前两句语句赋值解读成声明式编程。

const Program = function(app) {
    this.app = app;
    this.greeting = function() {
        console.log('Hi, this is ' + this.app);
    };
};
const program = new Program('github');
program.greeting();

这里例子里面，我们看到在类的 greeting 方法里面也用到了命令式的 console.log。在最后的执行过程中的 program.greeing() 也是命令式的。

const greet = function(app) {
    return 'Hi, this is ' + app;
};
console.log(greet('github'));

函数式编程

使用函数式编程可以大大提高代码的可读性。

函数式编程的学习曲线

你编写的每一行代码之后都要有人来维护，这个人可能是你的团队成员，也可能是未来的你。如果代码写的太过复杂，那么无论谁来维护都会对你炫技式的故作聪明的做法倍感压力。

对于复杂计算的场景下，使用函数式编程相比于命令式编程有更好的可读性。

image.png

从命令式的编程到函数式编程转换的道路上，可读性会变低，但是一旦度过了一个坎，也就是在你大量使用函数式编程时，可读性便会大大提升。可是我们往往会被这个坎阻挠，在发现可读性下降后放弃学习函数式编程。

因此除了学习函数式编程本身的知识之外，我们还需要明白学习可能经历的过程和最终的结果。

函数式编程定义

函数是第一公民。

JavaScript 是一门在设计之处就完全支持函数式编程的语言，在 JavaScript 里面，函数可以用 function 声明，作为全局变量，也就是这里说的“第一公民”。我们不再使用 var、const 或者 let 等关键字声明函数。我们也会大大减少变量的声明，通过函数的形参来替代变量的声明。

函数式编程大量通过函数的组合进行逻辑处理，因此我们在后面会看到很多辅助函数。通过这些辅助函数，我们可以更方便得修改和组合函数。

什么是函数？

一个函数就是包含输入和输出的方程。数据流方向是从输入到输出。

在数学里面我们学到的函数是这样的：

y = f(x)

在 JavaScript 里面，函数是这样表示的：

function(x) { return y; }

代码中的函数和数学意义上的函数概念是一样的。

函数和程序的区别

• 程序是任意功能的合集，可以没有输入值，可以没有输出值。
• 函数必须有输入值和输出值。

函数适合的场景

函数适合：数学运算。不适合：与真实世界互动。

实际的编程需要修改硬盘等。如果不改变东西，等于什么都没做。也就没办法完成任务了。

JavaScript 和函数式编程

JavaScript 支持函数式编程。使用 JavaScript 进行函数式编程时，我们要使用 JavaScript 的子集。不使用 for 循环, Math.random, Date, 不修改数据，来避免副作用，做到函数式编程。

下面，面向 JavaScript 开发者，介绍在 JavaScript 函数式编程中用到的一些概念。

高阶函数

高阶函数是由一个或多个函数作为输入的函数，或者是输出一个函数的函数。

[1, 2, 3].map(function(item, index, array) {
    return item * 2;
});

[1, 2, 3].reduce(function(accumulator, currentValue, currentIndex, array) {
    return accumulator + currentValue;
}, 0);

map 和 reduce 是高阶函数，它接收一个函数作为参数。

纯函数

纯函数有两个特点：

• 纯函数是幂等的
• 纯函数没有副作用

纯函数是可靠的，可预测结果。带来了可读性和可维护性。

幂等

幂等是指函数任意多次执行所产生的影响和一次执行的影响相同。函数的输入和输出都需要幂等。

function add(a, b) {
    return a + b;
}

上面的函数是幂等的。

function add(a) {
    return a + Math.random();
}

上面使用了随机数，每次执行得到的结果不同，所以这个函数不幂等。

var a = 1;
function add(b) {
    return a + b;
}

上面使用到函数外部的数据，当外部数据变化时，函数执行的结果不再相同，所以这个函数不幂等。

var c = 1;
function add(a, b) {
    c++;
    return a + b;
}

上面的函数修改了函数外部的数据，所以也不幂等。

副作用

副作用是当调用函数时，除了返回函数值之外，还对主调用函数产生附加的影响。

最常见的副作用是 I/O（输入/输出）。对于前端来说，用户事件（鼠标、键盘）是 JS 编程者在浏览器中使用的典型的输入，而输出的则是 DOM。如果你使用 Node.js 比较多，你更有可能接触到和输出到文件系统、网络系统和/或者 stdin / stdout（标准输入流/标准输出流）的输入和输出。

纯函数

一个纯函数需要满足下面两个条件：

• 纯函数是幂等的
• 纯函数没有副作用

不可变数据

不可变数据是指保持一个对象状态不变。

值的不可变性并不是不改变值。它是指在程序状态改变时，不直接修改当前数据，而是创建并追踪一个新数据。这使得我们在读代码时更有信心，因为我们限制了状态改变的场景，状态不会在意料之外或不易观察的地方发生改变。

在函数式和非函数式编程中，不可变数据对我们都有帮助。

使用不可变数据的准则

• 使用 const，不使用 let
• 不使用 splice、pop、push、shift、unshift、reverse 以及 fill 修改数组
• 不修改对象属性或方法

使用不可变数据的弊端

不可变数据有更多内存开销。

image.png

修改数据的情况下，直接替换了变量的值，内存开销不变。

image.png

使用不可变数据后，我们复制了一个对象，内存开销翻倍。

image.png

使用 immutableJS 等辅助库后，可以更好地利用之前的数据，优化了内存开销。

闭包 vs 对象

闭包和对象是一样东西的两种表达方式。一个没有闭包的编程语言可以用对象来模拟闭包；一个没有对象的编程语言可以用闭包来模拟对象。两者都可以用来维护数据。

var obj = {
    one: 1,
    two: 2
};

function run() {
    return this.one + this.two;
}

var three = run.bind(obj);

three();        // => 3

function getRun() {
    var one = 1;
    var two = 2;

    return function run(){
        return one + two;
    };
}

var three = getRun();

three();            // => 3

上面两种方式都可以用来完成程序功能，对象和函数之间可以转换。

常见的辅助函数

• unary
• reverseArgs
• curry
• uncurry
• compose
• pipe
• asyncPipe

unary，reverseArgs，curry 和 uncurry 是用来进行参数操作的。compose，pipe 和 asyncPipe 是用来进行函数组合的。

unary

unary 是用来限制某个函数只接收一个参数的。常见的使用场景是处理 parseInt 函数：

['1', '2', '3'].map(parseInt);
// => [1, NaN, NaN]

['1', '2', '3'].map(unary(parseInt));
// => [1, 2, 3]

unary 的实现方式可以是：

const unary = (fn) => {
    return (arg) => {
        return fn(arg);
    };
};

reverseArgs

reverseArgs 是用来讲函数参数反转的，实现方式如下：

const reverseArgs = (fn) => {
    return (...args) => {
        return fn(...args.reverse());
    };
};

curry

curry 是用来把函数执行滞后的，让我们可以逐步把参数传入这个函数，当参数完整之后，目标函数才会执行。常见的用法如下：

function add(a, b) {
    return a + b;
}
function add10(a) {
    return add(10, a);
}
add10(1); // => 11

通过 curry 函数，可以把上面的代码优化一下：

function add(a, b) {
    return a + b;
}
const curriedAdd = curry(add);
const add10 = curriedAdd(10);
add10(1); // => 11

curry 的实现思路如下：

把 args，保存起来，每个 curried 函数接受一个参数，将参数拼在之前的参数后面。

const curry = (fn) => {
    const curried = (curArg) => {
        const args = [...prevArgs, curArg];
        return curried;
    };
    return curried;
};

修改成用闭包保存参数。

const curry = (fn) => {
    return (curArg) => {
        const args = [...prevArgs, curArg];
        return nextCurried(...args);
    };
};

递归调用 nextCurried，第一次柯里化的函数不传入参数。

const curry = (fn) => {
    const nextCurried = (...prevArgs) => {
        return (curArg) => {
            const args = [...prevArgs, curArg];
            return nextCurried(...args);
        };
    };
    return nextCurried();
};

最后补全 arity 参数，来定义目标函数的参数数量。这样，我们可以定义柯里化后的参数数量，如果传入的参数数量到了函数需要的数量，则直接执行函数，并传入所有的参数。

const curry = (fn, arity = fn.length) => {
    const nextCurried = (...prevArgs) => {
        return (curArgs) => {
            const args = [...prevArgs, curArgs];
            if (args.length >= arity) {
                return fn(...args);
            }
            return nextCurried(...args);
        };
    };
    return nextCurried();
};

或者我们可以实现一个支持传入多个参数的柯里化函数：

const curry = (fn, arity = fn.length) => {
    const nextCurried = (...prevArgs) => {
        return (...curArgs) => {
            const args = [...prevArgs, ...curArgs];
            if (args.length >= arity) {
                return fn(...args);
            }
            return nextCurried(...args);
        };
    };
    return nextCurried();
};

compose

compose 用来串联执行函数，执行顺序是从后向前的。与之对应的是 pipe 函数，同样是串联执行函数，但是执行顺序是从前向后的。

compose 的用法：

function add10(value) {
    return value + 10;
}
function multiple10(value) {
    return value * 10;
}
const add10AndMultiple10 = compose(multiple10, add10);
add10AndMultiple10(1); // => 110

compose 的实现：

const compose = (...fns) => {
    return fns.reduce((a, b) => {
        return (...args) => {
            return a(b(...args));
        };
    });
};

或者通过 reduceRight 简单地从右边向左执行，这是更好理解的一种实现，但是有参数个数的限制。

const compose = (...fns) => {
    return (input) => {
        return fns.reduceRight((value, fn) => {
            return fn(value);
        }, input);
    };
};

pipe

pipe 也是用来组合函数的，串联执行的顺序是从前向后，与 compose 相反。pipe 的实现可以是：

const pipe = (...fns) => {
    return fns.reduceRight((a, b) => {
        return (...args) => {
            return a(b(...args));
        }
    });
};

pipe 的用法如下：

const addA = (value) => {
    return value + 'A';
};
const addB = (value) => {
    return value + 'B';
};
pipe(addA, addB)('1') // => 1AB

asyncPipe

对于异步函数来说，如果我们要串联执行，可以使用 asyncPipe。实现可以是：

const asyncPipe =  (...fns) => {
    return fns.reduceRight((next, fn) => {
        return (...args) => {
            fn(...args, next);
        };
    }, () => {});
};

用法是：

const addA = (value, next) => {
    next(value + 'A', 'a');
};
const addB = (value, anotherValue, next) => {
    console.log(anotherValue);                      // => a
    next(value + 'B');
};
const consoleLog = (value, next) => {
    console.log(value);
};
asyncPipe(addA, addB, consoleLog)('1');              // => 1AB

函数式编程在数据结构上的运用

实现链表

主要思路是用函数闭包代替对象保存数据。

const createNode = (value, next) => {
    return (x) => {
        if (x) {
            return value;
        }
        return next;
    };
};

const getValue = (node) => {
    return node(true);
};
const getNext = (node) => {
    return node(false);
};

const append = (next, value) => {
    if (next === null) {
        return createNode(value, null);
    }
    return createNode(getValue(next), append(getNext(next), value));
};
const reverse = (linkedList) => {
    if (linkedList === null) {
        return null;
    }
    return append(reverse(getNext(linkedList)), getValue(linkedList));
};

const linkedList1 = createNode(1, createNode(2, createNode(3, null)));
const linkedList2 = reverse(linkedList1);
getValue(linkedList1);                      // => 1
getValue(getNext(linkedList1));             // => 2
getValue(getNext(getNext(linkedList1)));    // => 3
getValue(linkedList2);                      // => 3
getValue(getNext(linkedList2));             // => 2
getValue(getNext(getNext(linkedList2)));    // => 1

同样可以用函数式编程实现二叉树。

总结

希望大家能够通过学习函数式编程范式，加深对软件研发的理解，开拓视野，找到更多组织代码方式。

函数式编程能够更好地组织业务代码中的数据处理，更多地复用了函数，减少了中间变量。

但是函数式编程也有缺点，它增加了学习成本，需要大家理解高阶函数。

参考资料

• Anjana Vakil: Learning Functional Programming with JavaScript - JSUnconf 2016
• Anjana Vakil: Immutable data structures for functional JS - JSConf EU 2017
• JavaScript 轻量级函数式编程
• Douglas Crockford: Monads and Gonads (YUIConf Evening Keynote)
• A Brief Intro to Functional Programming
• JavaScript 中的函数式编程