在5分钟内解释函数式编程【带有示例】

构建软件是一个非常技术性和具有挑战性的过程，需要进行计划和策划，以制定使用软件解决问题的正确方法。

在这方面，在开发任何软件之前考虑选择的编程范型是一个重要的步骤。

编程范型是一种编程模型或方法，提供设计、结构和编写计算机程序的特性、模式、原则、规则和风格。

流行的编程范型的例子包括面向对象编程(OOP)、过程化编程、事件驱动编程和函数式编程等。

特别是函数式编程在最近受到了很多关注，因为它承诺提供不易出错的代码，具有高度可重用性和易于维护的特点。那么什么是函数式编程？

函数式编程是声明式编程范型的子范型。声明式编程是一种侧重于编写描述程序应该做什么而不是如何做的代码的范型。

一个例子是在查询SQL数据库获取数据时。你只需要指定你想要检索的数据，而不是明确说明你想要如何检索。

函数式编程本身是通过使用表达式和纯函数来构建计算机程序的一种范型，这些函数按顺序应用于解决问题或实现期望的结果。

在函数式编程中，程序的整个功能被分解为可重用的、单一职责的纯函数。程序中的一切都通过使用纯函数来实现。

纯函数是一种确定性函数，当给定相同的输入值时，将返回相同的输出，并且不会影响应用程序的任何其他部分。

纯函数的结果仅仅依赖于其输入，而不是应用程序中的全局变量，这可以改变函数的结果。

这些纯函数接收输入，通过本地处理产生输出，而不改变程序的任何其他部分。

函数式编程使用不可变的数据，即一旦创建就无法更改的数据，并且还避免了共享状态，即同一数据可以被程序的不同部分访问和修改。

由于函数式编程严重依赖于函数，所以函数被称为一等公民，这意味着它们可以作为参数传递、保存到变量中，也可以从另一个函数中返回。

此外，函数式编程严重依赖于表达式而不是语句，因此避免了像for和while这样的循环语句。这样做是为了使程序的逻辑易于理解和调试。

函数式编程语言的类型

函数式编程语言主要有两种类型。它们包括：

纯函数式语言 – 这些是支持、强制和推动使用函数式范型的编程语言，例如使用一等纯函数、状态和数据的不可变性以及函数不对程序的其他部分产生副作用。纯函数式语言的例子包括Haskell、Agda、Clean、Idris、Futhark和Elm等。
不纯函数式语言 – 这些语言支持函数式编程范型，但也允许使用不纯函数、修改程序状态和具有副作用的操作。不纯函数式语言的例子包括Javascript、Rust、Erlang、Python、Ruby、Java、Kotlin和Clojure等。

开发人员使用纯函数式语言和非纯函数式语言。然而，如果您以前从未使用过函数式编程，转向纯函数式语言可能需要很多时间和精力。

函数式编程语言和库

一些流行的函数式编程语言和库包括：

#1. Haskell

Haskell是一种静态类型的、惰性的、纯函数式编程语言，被认为是函数式编程范式的体现。

除了类型推断外，该语言还支持惰性求值，即只有在需要结果时才对表达式进行求值。Haskell还支持并发编程，并且它的编译器配备了高性能的垃圾回收器和轻量级并发库。

通过使用和严格遵守函数式编程原则，Haskell可以使构建复杂的软件系统变得更容易，并且易于维护。

在许多行业参与者中，Haskell是构建自包含系统或领域特定语言的首选语言。它在学术界和研究中也被广泛使用。一些使用Haskell的公司包括Microsoft、Github、Hasura和Lumi等。

#2. Ramda

Ramda是一个用于JavaScript语言的函数式编程库。Ramda通过函数组合提供了一种简单的构建复杂逻辑的方式，并提供了一组实用函数，鼓励和支持JavaScript中函数式编程原则的使用。

Ramda还提供了一种使用不可变对象和没有副作用的函数的简单方法，这是函数式编程中的关键概念。

由于JavaScript不像Haskell那样是纯函数式编程语言，通过使用类似Ramda的库，您可以在使用JavaScript时利用函数式编程并获得函数式编程的性能优势。

#3. Elixir

Elixir是一种通用的、并发的、函数式编程语言，旨在具有可扩展性、易于维护和容错性。该语言由Jose Valim于2011年创建，运行在BEAM虚拟机上，并被Heroku、Discord、change.org和Duffel等公司使用。

作为一种函数式编程语言，Elixir鼓励状态和数据的不可变性，编写代码时使用纯函数，并转换数据。

函数式编程的关键概念

#1. 纯函数

函数式编程广泛使用纯函数。纯函数具有两个主要特点。首先，它们对于相同的输入产生相同的输出，无论任何外部因素，使它们具有确定性和可预测性。

其次，纯函数没有副作用。也就是说，它们不以任何方式修改其作用域外的外部环境。

一些纯函数的示例包括：

//计算一个数字的平方的函数
function square(x) {
    return x * x;
}

//两个变量相加的函数
function add(a, b) {
    return a + b;
}

上述函数对于相同的输入返回相同的输出，并且在其作用域外没有任何副作用。

#2. 不可变性

在函数式编程中，使用的数据是不可变的。这意味着一旦变量被初始化，就不能修改。这确保了变量在整个程序中状态的保持。

如果您想对变量进行任何修改或对其进行操作，可以创建一个新的变量来存储更新的数据，而不会改变初始变量。

#3. 高阶函数

高阶函数是接受一个或多个函数作为参数和/或返回一个函数的函数。

高阶函数在函数式编程中非常有用，因为它们允许组合多个函数来创建新函数，允许使用回调，允许将常见模式抽象成可重用的函数，最后，高阶函数允许编写更简洁和表达性更强的代码。

下面是一个高阶函数的示例：

// 一个返回将一个数字乘以给定因子的函数的高阶函数
function multiplier(factor) {
    return function (number) {
      return number * factor;
    }
  }
  
const double = multiplier(2); 
const triple = multiplier(3);
const quadruple = multiplier(4);
  
console.log(double(5)); // 输出：10
console.log(triple(5)); // 输出：15
console.log(quadruple(5)); // 输出：20

#4. 递归

由于函数式编程依赖于表达式而不是语句，因此在这种范式中避免使用诸如for和while循环之类的控制流语句。这些循环语句被递归取代，递归用于执行函数式编程中的迭代。

递归涉及到函数重复调用自身，直到满足退出条件。使用递归，将复杂问题分解为较小、更简单的子问题，然后递归地解决这些子问题，直到达到基本情况，从而得到一个解决较大复杂问题的解决方案。

#5. 声明式编程

函数式编程是更广泛的声明式编程范式中的一个子范式，它包括以需要完成的任务为中心编写代码的编程范式，而不是明确说明如何完成任务。

在这方面，使用函数式编程范式时，您的代码应该描述需要实现的目标或要解决的问题。

如何实现这个目标取决于您使用的编程语言。这有助于编写更简洁和易读的代码。

#6. 无状态

函数式编程强调无状态代码，其中代码不维护可以由函数修改的全局状态。函数的结果仅依赖于传递的输入，不能受到代码其他部分的依赖的影响。

使用的函数不能修改程序中的状态或变量，其范围之外。

#7. 并行执行

由于函数式编程使用不可变状态、纯函数和不可变数据，它允许同时并行执行多个计算。

由于每个函数只需处理特定的输入，而不必担心来自程序其他部分的副作用，因此可以将复杂问题分解为较小的子问题，并同时并行执行，从而实现提高性能和效率。

函数式编程的好处

函数式编程的一些好处包括：

更少的软件错误

除了使用纯函数使得实现函数式编程范式的代码更易读且易于理解之外，函数式编程还允许编写更少错误的代码。

由于函数式编程使用不可变状态，您永远不会有程序的多个部分更改变量或整个程序的状态。这反过来导致减少了可能因为数据在多个区域之间被修改而产生的错误，因为这些区域共享状态。

提高代码可读性

函数式编程是命令式范式的子范式，强调编写描述需要完成的任务而不是如何完成任务的代码。这与使用纯函数相结合，导致代码具有自解释性，更易于阅读和理解，并且易于维护。

增强代码的可重用性

实现函数式编程需要将复杂问题分解为较小的子问题，并使用纯函数解决这些问题。这些函数可以轻松组合和重用以解决其他复杂问题。通过使用纯函数和不可变状态，函数式编程允许编写高度可重用的代码。

更容易进行测试和调试

函数式编程使用没有副作用、仅依赖于其输入并为相同输入集产生一致确定输出的纯函数。

这使得函数式编程本质上易于测试和调试，因为您无需跟踪变量及其在程序的不同部分中如何变化。

由于函数式编程中没有依赖关系，调试和测试变得更加容易，因为您可以针对程序的特定部分进行调试和测试。

支持并发和并行

由于函数式编程鼓励数据的无状态性和不可变性，因此可以安全地并行或并发执行多个纯函数。能够并行运行多个操作可以提高处理速度，并更好地利用具有多个核心的处理器。

作为一种编程范式，函数式编程可以帮助编写更易读、更易理解的代码，减少错误，并提供对并行性的出色支持，从而实现对多核处理器的高效利用。函数式编程允许构建更可靠和易于扩展的软件系统。

函数式编程的局限性

尽管函数式编程有很多优点，但它需要开发人员投入大量时间和精力来学习如何使用该编程范式。这是因为它引入了新的代码结构方式和新的编程概念。

使用函数式编程进行编码可能非常复杂和困难，因为它不使用更直观的特性，如for和while循环。编写递归程序并不容易。

因此，开发人员可能需要更长时间来掌握函数式编程，特别是对于从使用可变状态的语言（如面向对象编程）过来的开发人员。

函数式编程的另一个局限性是来自其不可变性的核心原则。由于数据和状态是可变的，并且创建新的数据结构而不是修改现有的数据结构，这导致函数式编程使用更多的存储空间。函数式编程的不可变性特性也可能导致应用程序性能较差。

结论

虽然函数式编程已经存在很长时间，但最近成为一种流行的范式。尽管它可能有点难以理解，但开发人员从学习这种范式以及在编写程序时可以实现函数式编程的不同方式中可以获得巨大的收益。

由于不需要使用纯函数式编程语言如Haskell，您可以在诸如Javascript、Java、Python和Kotlin等语言中实现函数式编程概念，并在项目中获得函数式编程的好处。

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