函数式编程入门教程-阿里云开发者社区

你可能听说过函数式编程（Functional programming），甚至已经使用了一段时间。

但是，你能说清楚，它到底是什么吗？

网上搜索一下，你会轻松找到好多答案。

与面向对象编程（Object-oriented programming）和过程式编程（Procedural programming）并列的编程范式。

最主要的特征是，函数是第一等公民。

强调将计算过程分解成可复用的函数，典型例子就是map方法和reduce方法组合而成 MapReduce 算法。

只有纯的、没有副作用的函数，才是合格的函数。

上面这些说法都对，但还不够，都没有回答下面这个更深层的问题。

为什么要这样做？

这就是，本文要解答的问题。我会通过最简单的语言，帮你理解函数式编程，并且学会它那些基本写法。

需要声明的是，我不是专家，而是一个初学者，最近两年才真正开始学习函数式编程。一直苦于看不懂各种资料，立志要写一篇清晰易懂的教程。下面的内容肯定不够严密，甚至可能包含错误，但是我发现，像下面这样解释，初学者最容易懂。

另外，本文比较长，阅读时请保持耐心。结尾还有 Udacity 的《前端工程师认证课程》的推广，非常感谢他们对本文的赞助。

一、范畴论

函数式编程的起源，是一门叫做范畴论（Category Theory）的数学分支。

理解函数式编程的关键，就是理解范畴论。它是一门很复杂的数学，认为世界上所有的概念体系，都可以抽象成一个个的"范畴"（category）。

1.1 范畴的概念

什么是范畴呢？

维基百科的一句话定义如下。

"范畴就是使用箭头连接的物体。"（In mathematics, a category is an algebraic structure that comprises "objects" that are linked by "arrows". ）

也就是说，彼此之间存在某种关系的概念、事物、对象等等，都构成"范畴"。随便什么东西，只要能找出它们之间的关系，就能定义一个"范畴"。

上图中，各个点与它们之间的箭头，就构成一个范畴。

箭头表示范畴成员之间的关系，正式的名称叫做"态射"（morphism）。范畴论认为，同一个范畴的所有成员，就是不同状态的"变形"（transformation）。通过"态射"，一个成员可以变形成另一个成员。

1.2 数学模型

既然"范畴"是满足某种变形关系的所有对象，就可以总结出它的数学模型。

所有成员是一个集合

变形关系是函数

也就是说，范畴论是集合论更上层的抽象，简单的理解就是"集合 + 函数"。

理论上通过函数，就可以从范畴的一个成员，算出其他所有成员。

1.3 范畴与容器

我们可以把"范畴"想象成是一个容器，里面包含两样东西。

值（value）

值的变形关系，也就是函数。

下面我们使用代码，定义一个简单的范畴。


class Category {
  constructor(val) { 
    this.val = val; 
  }

  addOne(x) {
    return x + 1;
  }
}

上面代码中，Category是一个类，也是一个容器，里面包含一个值（this.val）和一种变形关系（addOne）。你可能已经看出来了，这里的范畴，就是所有彼此之间相差1的数字。

注意，本文后面的部分，凡是提到"容器"的地方，全部都是指"范畴"。

1.4 范畴论与函数式编程的关系

范畴论使用函数，表达范畴之间的关系。

伴随着范畴论的发展，就发展出一整套函数的运算方法。这套方法起初只用于数学运算，后来有人将它在计算机上实现了，就变成了今天的"函数式编程"。

本质上，函数式编程只是范畴论的运算方法，跟数理逻辑、微积分、行列式是同一类东西，都是数学方法，只是碰巧它能用来写程序。

所以，你明白了吗，为什么函数式编程要求函数必须是纯的，不能有副作用？因为它是一种数学运算，原始目的就是求值，不做其他事情，否则就无法满足函数运算法则了。

总之，在函数式编程中，函数就是一个管道（pipe）。这头进去一个值，那头就会出来一个新的值，没有其他作用。

二、函数的合成与柯里化

函数式编程有两个最基本的运算：合成和柯里化。

2.1 函数的合成

如果一个值要经过多个函数，才能变成另外一个值，就可以把所有中间步骤合并成一个函数，这叫做"函数的合成"（compose）。

上图中，X和Y之间的变形关系是函数f，Y和Z之间的变形关系是函数g，那么X和Z之间的关系，就是g和f的合成函数g·f。

下面就是代码实现了，我使用的是 JavaScript 语言。注意，本文所有示例代码都是简化过的，完整的 Demo 请看《参考链接》部分。

合成两个函数的简单代码如下。


const compose = function (f, g) {
  return function (x) {
    return f(g(x));
  };
}

函数的合成还必须满足结合律。


compose(f, compose(g, h))
// 等同于
compose(compose(f, g), h)
// 等同于
compose(f, g, h)

合成也是函数必须是纯的一个原因。因为一个不纯的函数，怎么跟其他函数合成？怎么保证各种合成以后，它会达到预期的行为？

前面说过，函数就像数据的管道（pipe）。那么，函数合成就是将这些管道连了起来，让数据一口气从多个管道中穿过。

2.2 柯里化

f(x)和g(x)合成为f(g(x))，有一个隐藏的前提，就是f和g都只能接受一个参数。如果可以接受多个参数，比如f(x, y)和g(a, b, c)，函数合成就非常麻烦。

这时就需要函数柯里化了。所谓"柯里化"，就是把一个多参数的函数，转化为单参数函数。


// 柯里化之前
function add(x, y) {
  return x + y;
}

add(1, 2) // 3

// 柯里化之后
function addX(y) {
  return function (x) {
    return x + y;
  };
}

addX(2)(1) // 3

有了柯里化以后，我们就能做到，所有函数只接受一个参数。后文的内容除非另有说明，都默认函数只有一个参数，就是所要处理的那个值。

三、函子

函数不仅可以用于同一个范畴之中值的转换，还可以用于将一个范畴转成另一个范畴。这就涉及到了函子（Functor）。

3.1 函子的概念

函子是函数式编程里面最重要的数据类型，也是基本的运算单位和功能单位。

它首先是一种范畴，也就是说，是一个容器，包含了值和变形关系。比较特殊的是，它的变形关系可以依次作用于每一个值，将当前容器变形成另一个容器。

上图中，左侧的圆圈就是一个函子，表示人名的范畴。外部传入函数f，会转成右边表示早餐的范畴。

下面是一张更一般的图。

上图中，函数f完成值的转换（a到b），将它传入函子，就可以实现范畴的转换（Fa到Fb）。

3.2 函子的代码实现

任何具有map方法的数据结构，都可以当作函子的实现。


class Functor {
  constructor(val) { 
    this.val = val; 
  }

  map(f) {
    return new Functor(f(this.val));
  }
}

上面代码中，Functor是一个函子，它的map方法接受函数f作为参数，然后返回一个新的函子，里面包含的值是被f处理过的（f(this.val)）。

一般约定，函子的标志就是容器具有map方法。该方法将容器里面的每一个值，映射到另一个容器。

下面是一些用法的示例。


(new Functor(2)).map(function (two) {
  return two + 2;
});
// Functor(4)

(new Functor('flamethrowers')).map(function(s) {
  return s.toUpperCase();
});
// Functor('FLAMETHROWERS')

(new Functor('bombs')).map(_.concat(' away')).map(_.prop('length'));
// Functor(10)

上面的例子说明，函数式编程里面的运算，都是通过函子完成，即运算不直接针对值，而是针对这个值的容器----函子。函子本身具有对外接口（map方法），各种函数就是运算符，通过接口接入容器，引发容器里面的值的变形。

因此，学习函数式编程，实际上就是学习函子的各种运算。由于可以把运算方法封装在函子里面，所以又衍生出各种不同类型的函子，有多少种运算，就有多少种函子。函数式编程就变成了运用不同的函子，解决实际问题。

四、of 方法

你可能注意到了，上面生成新的函子的时候，用了new命令。这实在太不像函数式编程了，因为new命令是面向对象编程的标志。

函数式编程一般约定，函子有一个of方法，用来生成新的容器。

下面就用of方法替换掉new。


Functor.of = function(val) {
  return new Functor(val);
};

然后，前面的例子就可以改成下面这样。


Functor.of(2).map(function (two) {
  return two + 2;
});
// Functor(4)

这就更像函数式编程了。

五、Maybe 函子

函子接受各种函数，处理容器内部的值。这里就有一个问题，容器内部的值可能是一个空值（比如null），而外部函数未必有处理空值的机制，如果传入空值，很可能就会出错。


Functor.of(null).map(function (s) {
  return s.toUpperCase();
});
// TypeError

上面代码中，函子里面的值是null，结果小写变成大写的时候就出错了。

Maybe 函子就是为了解决这一类问题而设计的。简单说，它的map方法里面设置了空值检查。


class Maybe extends Functor {
  map(f) {
    return this.val ? Maybe.of(f(this.val)) : Maybe.of(null);
  }
}

有了 Maybe 函子，处理空值就不会出错了。


Maybe.of(null).map(function (s) {
  return s.toUpperCase();
});
// Maybe(null)

六、Either 函子

条件运算if...else是最常见的运算之一，函数式编程里面，使用 Either 函子表达。

Either 函子内部有两个值：左值（Left）和右值（Right）。右值是正常情况下使用的值，左值是右值不存在时使用的默认值。


class Either extends Functor {
  constructor(left, right) {
    this.left = left;
    this.right = right;
  }

  map(f) {
    return this.right ? 
      Either.of(this.left, f(this.right)) :
      Either.of(f(this.left), this.right);
  }
}

Either.of = function (left, right) {
  return new Either(left, right);
};

下面是用法。


var addOne = function (x) {
  return x + 1;
};

Either.of(5, 6).map(addOne);
// Either(5, 7);

Either.of(1, null).map(addOne);
// Either(2, null);

上面代码中，如果右值有值，就使用右值，否则使用左值。通过这种方式，Either 函子表达了条件运算。

Either 函子的常见用途是提供默认值。下面是一个例子。


Either
.of({address: 'xxx'}, currentUser.address)
.map(updateField);

上面代码中，如果用户没有提供地址，Either 函子就会使用左值的默认地址。

Either 函子的另一个用途是代替try...catch，使用左值表示错误。


function parseJSON(json) {
  try {
    return Either.of(null, JSON.parse(json));
  } catch (e: Error) {
    return Either.of(e, null);
  }
}

上面代码中，左值为空，就表示没有出错，否则左值会包含一个错误对象e。一般来说，所有可能出错的运算，都可以返回一个 Either 函子。

七、ap 函子

函子里面包含的值，完全可能是函数。我们可以想象这样一种情况，一个函子的值是数值，另一个函子的值是函数。


function addTwo(x) {
  return x + 2;
}

const A = Functor.of(2);
const B = Functor.of(addTwo)

上面代码中，函子A内部的值是2，函子B内部的值是函数addTwo。

有时，我们想让函子B内部的函数，可以使用函子A内部的值进行运算。这时就需要用到 ap 函子。

ap 是 applicative（应用）的缩写。凡是部署了ap方法的函子，就是 ap 函子。


class Ap extends Functor {
  ap(F) {
    return Ap.of(this.val(F.val));
  }
}

注意，ap方法的参数不是函数，而是另一个函子。

因此，前面例子可以写成下面的形式。


Ap.of(addTwo).ap(Functor.of(2))
// Ap(4)

ap 函子的意义在于，对于那些多参数的函数，就可以从多个容器之中取值，实现函子的链式操作。


function add(x) {
  return function (y) {
    return x + y;
  };
}

Ap.of(add).ap(Maybe.of(2)).ap(Maybe.of(3));
// Ap(5)

上面代码中，函数add是柯里化以后的形式，一共需要两个参数。通过 ap 函子，我们就可以实现从两个容器之中取值。它还有另外一种写法。


Ap.of(add(2)).ap(Maybe.of(3));

八、Monad 函子

函子是一个容器，可以包含任何值。函子之中再包含一个函子，也是完全合法的。但是，这样就会出现多层嵌套的函子。


Maybe.of(
  Maybe.of(
    Maybe.of({name: 'Mulburry', number: 8402})
  )
)

上面这个函子，一共有三个Maybe嵌套。如果要取出内部的值，就要连续取三次this.val。这当然很不方便，因此就出现了 Monad 函子。

Monad 函子的作用是，总是返回一个单层的函子。它有一个flatMap方法，与map方法作用相同，唯一的区别是如果生成了一个嵌套函子，它会取出后者内部的值，保证返回的永远是一个单层的容器，不会出现嵌套的情况。


class Monad extends Functor {
  join() {
    return this.val;
  }
  flatMap(f) {
    return this.map(f).join();
  }
}

上面代码中，如果函数f返回的是一个函子，那么this.map(f)就会生成一个嵌套的函子。所以，join方法保证了flatMap方法总是返回一个单层的函子。这意味着嵌套的函子会被铺平（flatten）。

九、IO 操作

Monad 函子的重要应用，就是实现 I/O （输入输出）操作。

I/O 是不纯的操作，普通的函数式编程没法做，这时就需要把 IO 操作写成Monad函子，通过它来完成。


var fs = require('fs');

var readFile = function(filename) {
  return new IO(function() {
    return fs.readFileSync(filename, 'utf-8');
  });
};

var print = function(x) {
  return new IO(function() {
    console.log(x);
    return x;
  });
}

上面代码中，读取文件和打印本身都是不纯的操作，但是readFile和print却是纯函数，因为它们总是返回 IO 函子。

如果 IO 函子是一个Monad，具有flatMap方法，那么我们就可以像下面这样调用这两个函数。


readFile('./user.txt')
.flatMap(print)

这就是神奇的地方，上面的代码完成了不纯的操作，但是因为flatMap返回的还是一个 IO 函子，所以这个表达式是纯的。我们通过一个纯的表达式，完成带有副作用的操作，这就是 Monad 的作用。

由于返回还是 IO 函子，所以可以实现链式操作。因此，在大多数库里面，flatMap方法被改名成chain。


var tail = function(x) {
  return new IO(function() {
    return x[x.length - 1];
  });
}

readFile('./user.txt')
.flatMap(tail)
.flatMap(print)

// 等同于
readFile('./user.txt')
.chain(tail)
.chain(print)

上面代码读取了文件user.txt，然后选取最后一行输出。

十、参考链接

（正文完）

============================

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（完）

函数式编程入门教程

一、范畴论

1.1 范畴的概念

1.2 数学模型

1.3 范畴与容器

1.4 范畴论与函数式编程的关系

二、函数的合成与柯里化

2.1 函数的合成

2.2 柯里化

三、函子

3.1 函子的概念

3.2 函子的代码实现

四、of 方法

五、Maybe 函子

六、Either 函子

七、ap 函子

八、Monad 函子

九、IO 操作

十、参考链接

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一、范畴论

1.1 范畴的概念

1.2 数学模型

1.3 范畴与容器

1.4 范畴论与函数式编程的关系

二、函数的合成与柯里化

2.1 函数的合成

2.2 柯里化

三、函子

3.1 函子的概念

3.2 函子的代码实现

四、of 方法

五、Maybe 函子

六、Either 函子

七、ap 函子

八、Monad 函子

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