从历史讲起JavaScript基因里的函数式编程实例

本篇序言

本瓜很喜欢看历史,读史可知兴替、使人明智,作为程序员看“技术的演替历史”同样如此。过程是越看越有味,仿佛先贤智慧的光照亮了我原本封闭的心,每每只能感叹一个“服”字。所以,专栏第一篇打算先从技术历史讲起,从函数式编程的渊源讲起。

看完本篇:

你会知道为什么有人会说 “计算机是数学家一次失败思考的产物”

你会知道为什么 “ lambda 演算定义函数有效计算”

你会知道编程概念中 “闭包最初是如何形成的”

你还会知道为什么标题要说 “JavaScript 基因里写着函数式编程”

话不多说,开冲了~ ‍‍‍

一、数学之美

函数式编程的历史最早可以追溯到 1930 年,一个叫 丘奇(Church)的人,提出了 λ (lambda)演算,这是所有函数式编程语言的基础。

那这人为啥要提出这个演算?1930 年这个时间比世界上第一台计算机诞生的时间都还要早 16 年。提出这个肯定不是因为计算机编程。

没错,他是为了解决一个数学问题。

这个数学问题是:

著名的希尔伯特第十问题—— 判定问题 (1900 年提出)

我们不妨来“浅看”一下这个数学问题,可以说这个问题促使了计算机的形成。

什么是希尔伯特第十问题之判定问题?

本瓜尝试用通俗的表达解释一下:

很简单,有下列这样一个方程:

其中所有的数(aj、bj、c)都是整数,求:能否找到一组 xj (全部为整数)的解?

乍一看这个公式有点费解。。。

其实我们可以构建一个大家都熟悉的实例,保证一看就明白了~

我敲,这不就是勾股定理吗?勾三股四弦五,老祖宗在西周时就发现了。

符合判定问题的实例方程还有很多,比如:裴蜀等式、佩尔方程、四平方和定理、以及著名的【费马大猜想】等等。

噢!希尔伯特提出判定问题,旨在“一劳永逸”,如果这个问题被解决了,那么它的子问题也都能被同样解决。所以,在 1900 年到 1930 年之间,以希尔伯特为代表的数学家们 试图构建一个自动化定理证明的系统,让公理系统内的所有命题都能用一套既定的规则得以证明或证伪。

说白了,就是这群数学家也想偷懒,证明各类数学公式已经累了,想搞点自动化的通用流程,能够用通用流程去证明或证伪数学难题。

大家都在前赴后继的尝试解决这个问题,直到 1930 年后,出现了 哥德尔、图灵、丘奇 这些人,他们几乎在同一时间,但又在不同角度对这个问题作出了解释。

更为神奇的是,最终证明他们的结论竟然是等效的。

哥德尔不完备性定理中递归函数 == 图灵完备 == lambda 演算

他们彻底解决了希尔伯特第十问题吗?

很遗憾,并没有。

不过在这个过程中,他们搞清楚了一个很重要的问题,一个对计算机科学至关重要的元核心问题:

什么样的函数是可以有效计算的?!

在这之前,数学家们对于这个问题并没有一个普遍结论,只知道一些最简单的函数,以及通过简单规则将简单函数组合起来的函数(比如加法),是可以有效计算的。

这种感觉像是无心插柳,本来大家是冲着解决数学公式论证问题去的,最后不约而同的得出了“函数可有效计算”的定义。这个定义由此发展,成为了 21 世纪最具颠覆力量的学科 —— 计算机。

所以才有人说:计算机是数学家一次失败思考的产物。

数学的局限也会造成计算机的局限。

不过依然无法掩盖数学之美,美在它足够基础,但又隐藏着巨大的能量,影响着万事万物。

二、lambda 演算核心

各位,你有想过,什么样的函数是可以有效计算的?

如果由你定义,你会从怎样的角度去思考?

  • 由于本篇重点是讲函数式编程起源的 lambda 演算,所以哥德尔和图灵的解释不作展开,在文尾有相关文章推荐,可自行了解。(尤其是图灵机,一定多看看、体会体会)

丘奇给出了它的观点:

有效计算的函数指的是:函数每一步都可被事先确定,而且该函数可在有限的步数之内生成结果。

通俗来理解,“有效”即要在有限步骤内产生确定的结果。

天才的丘奇给出了 lambda 演算表达式:

lambda x . body

其中 x 是输入的参数,body 是运算过程,意思是 x 经过 body 的运算,然后返回结果。

lambda 演算的伟大之处在于它非常简洁,揭示了计算的本质。

细看 lambda 表达式,你会发现函数只能接受一个参数,如果我们需要传两个参数呢?

其实也是能实现的,如下:

lambda x. ( lambda y. plus x y )

这就是沿用至今的函数式编程 柯里化 思想,传入参数 x,经过运算体 body:lambda y. plus x y 的运算,body 又是一个 lambda 运算表达式,入参是 y,新的运算体是 plus x y

这种简化的设计,让我们无需过多的语法,便能实现接收多个参数。

lambda 演算核心还有两条重要的规则:转换 和 规约

  • 转换

转换的意思是:变量的名称并不重要,比如以下两种写法是等效的,相当于变量名只是形参而已。

lambda x. ( lambda y. plus x y )
lambda y. ( lambda x. plus x y )
  • 规约

规约的意思是:我们可以对这个函数体中和对应函数标识符相关的部分做替换,替换方法是把标识符用参数值替换。

举个例子:

(lambda x . x + 1) 3
// 规约后
3 + 1

这样写意味着 3 是形参 x 实际的值,数值“3”可直接取代引用的参数“x”,规约后即为 3 + 1

(lambda y . (lambda x . x + y)) q
// 规约后
lambda x . x + q

首先 q 是形参 y 实际的值,规约后,实际上就是求 lambda x . x + q

规约远能做的很多变化,正是由于规约的存在,让 lambda 演算可以实现递归,才让它可以等效于图灵完备。

我们再来概括一下:

  • lambda 核心表达式:lambda x . body,简洁而优雅;
  • 入参只有一个,可以通过柯里化来实现接受多个参数;
  • lambda 演算的“规约”规则是它实现复杂运算的重要机制,由繁化简;
  • 多问一句:把函数作为 body 返回,不正是 JavaScript 高阶函数的意思吗?

可见,现在很多我们觉得稀松平常的一些用法,其实早在近 100 年前就被提出来了,不可谓不震撼。

三、JavaScript 的基因

说了半天,终于来到了我们的 JavaScript,相信大家接触 JavaScript 之初都会被“闭包”这个概念搞得有点蒙,为什么要这样设计?我平常又确实用不上,好不容易学了个防抖、节流函数,你就不要再继续追问“什么是闭包了”。

兄弟,有福了,这次带你见识最初的闭包是如何产生的!

闭包的概念,在计算机诞生之前就被设计出来了,没错,还是来源于我们的 lambda 演算。

lambda 演算规定:

如果一个标识符是一个闭合 lambda 表达式的参数,我们则称这个标识符是被绑定的;如果一个标识符在任何封闭的上下文中都没有绑定,那么它被称为自由变量。

比如:

lambda x . plus x y

在这个表达式中,x是被绑定的,因为它是函数定义的闭合表达式 plus x y 的参数。而 y 是自由变量;

再比如:

lambda y . (lambda x . plus x y)

在内层演算 lambda x . plus x y 中,x 是被绑定的,y 是自由的;而在完整表达中,x 和 y 是都是被绑定的:x 受内层绑定,而 y 由剩下的外层演算绑定。

这正是 JavaScript 闭包最初的雏形, 内部函数保持着对函数外部变量的引用。这里“被绑定的”意思就是变量不能被清理的,是以后会被用到的。

神奇吗?闭包早于计算机诞生,仿佛就像打火机早于火柴发明一样,让人有点意外~

好了,最后说一说:为什么 JavaScript 基因里写着函数式编程 ?

这一段历史,应该很多工友早烂熟于心,网景公司想给 HTML 加一个脚本语言用于改善交互,于是招来了 布兰登·艾克,这老哥 10 天就把这门语言的框架设计好了。它思想上基于 Self 语言和 Scheme 语言,语法上和 C 语言相似。

我们再看这里的 Scheme 语言,它其实就是一门堂堂正正的函数式编程语言,它是第一大函数式编程语言 Lisp (1958 年)两种方言的其中一种。而 Lisp 则来源于 lambda 演算,来源于 丘奇,来源于那个解决 1900 年数学问题的意外收获!

时间线是这样的:

  • => 1900 年希尔伯特数学问题
  • => 1930 年丘奇 lambda 演算
  • => 1958 年 Lisp 语言
  • => 1975 年 Scheme 语言
  • => 1995 年 JavaScript 语言

知道从哪里来,才能知道往哪里去。

所以,朋友们,我们现在所用的 JavaScript,基因里有一个重要的组成部分是函数式,把函数放在第一位、关注输入输出、参数柯里化、高级函数等等,在近百年里逐渐演进。前段时间,看到一篇文章,JSON 之父吐槽说:现在我们更关注于把 JavaScript 的使用规模扩大,而不是关注怎样使这门语言变得更好。然后导致他建议退役 JavaScript,我大受震撼。或许,如果某一天,ES 版本迭代关注点只有:又新增了几个语法糖,而忽略了这门语言最初的设计思想,忽略去完善它,那真有点可惜。

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