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Python函數(shù)式編程指南（一）：函數(shù)式編程概述

更新時(shí)間：2015年06月24日 10:19:38 作者：AstralWind

這篇文章主要介紹了Python函數(shù)式編程指南（一）：函數(shù)式編程概述,本文講解了什么是函數(shù)式編程概述、什么是函數(shù)式編程、為什么使用函數(shù)式編程、如何辨認(rèn)函數(shù)式風(fēng)格等核心知識(shí),需要的朋友可以參考下

1. 函數(shù)式編程概述

1.1. 什么是函數(shù)式編程？

函數(shù)式編程使用一系列的函數(shù)解決問(wèn)題。函數(shù)僅接受輸入并產(chǎn)生輸出，不包含任何能影響產(chǎn)生輸出的內(nèi)部狀態(tài)。任何情況下，使用相同的參數(shù)調(diào)用函數(shù)始終能產(chǎn)生同樣的結(jié)果。

在一個(gè)函數(shù)式的程序中，輸入的數(shù)據(jù)“流過(guò)”一系列的函數(shù)，每一個(gè)函數(shù)根據(jù)它的輸入產(chǎn)生輸出。函數(shù)式風(fēng)格避免編寫(xiě)有“邊界效應(yīng)”(side effects)的函數(shù)：修改內(nèi)部狀態(tài)，或者是其他無(wú)法反應(yīng)在輸出上的變化。完全沒(méi)有邊界效應(yīng)的函數(shù)被稱(chēng)為“純函數(shù)式的”(purely functional)。避免邊界效應(yīng)意味著不使用在程序運(yùn)行時(shí)可變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸出只依賴(lài)于輸入。

可以認(rèn)為函數(shù)式編程剛好站在了面向?qū)ο缶幊痰膶?duì)立面。對(duì)象通常包含內(nèi)部狀態(tài)（字段），和許多能修改這些狀態(tài)的函數(shù)，程序則由不斷修改狀態(tài)構(gòu)成；函數(shù)式編程則極力避免狀態(tài)改動(dòng)，并通過(guò)在函數(shù)間傳遞數(shù)據(jù)流進(jìn)行工作。但這并不是說(shuō)無(wú)法同時(shí)使用函數(shù)式編程和面向?qū)ο缶幊蹋聦?shí)上，復(fù)雜的系統(tǒng)一般會(huì)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建模，但混合使用函數(shù)式風(fēng)格還能讓你額外享受函數(shù)式風(fēng)格的優(yōu)點(diǎn)。

1.2. 為什么使用函數(shù)式編程？

函數(shù)式的風(fēng)格通常被認(rèn)為有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.邏輯可證
這是一個(gè)學(xué)術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有邊界效應(yīng)使得更容易從邏輯上證明程序是正確的（而不是通過(guò)測(cè)試）。
2.模塊化
函數(shù)式編程推崇簡(jiǎn)單原則，一個(gè)函數(shù)只做一件事情，將大的功能拆分成盡可能小的模塊。小的函數(shù)更易于閱讀和檢查錯(cuò)誤。
3.組件化
小的函數(shù)更容易加以組合形成新的功能。
4.易于調(diào)試
細(xì)化的、定義清晰的函數(shù)使得調(diào)試更加簡(jiǎn)單。當(dāng)程序不正常運(yùn)行時(shí)，每一個(gè)函數(shù)都是檢查數(shù)據(jù)是否正確的接口，能更快速地排除沒(méi)有問(wèn)題的代碼，定位到出現(xiàn)問(wèn)題的地方。
5.易于測(cè)試
不依賴(lài)于系統(tǒng)狀態(tài)的函數(shù)無(wú)須在測(cè)試前構(gòu)造測(cè)試樁，使得編寫(xiě)單元測(cè)試更加容易。
6.更高的生產(chǎn)率
函數(shù)式編程產(chǎn)生的代碼比其他技術(shù)更少（往往是其他技術(shù)的一半左右），并且更容易閱讀和維護(hù)。

1.3. 如何辨認(rèn)函數(shù)式風(fēng)格？

支持函數(shù)式編程的語(yǔ)言通常具有如下特征，大量使用這些特征的代碼即可被認(rèn)為是函數(shù)式的：

函數(shù)是一等公民

函數(shù)能作為參數(shù)傳遞，或者是作為返回值返回。這個(gè)特性使得模板方法模式非常易于編寫(xiě)，這也促使了這個(gè)模式被更頻繁地使用。
以一個(gè)簡(jiǎn)單的集合排序?yàn)槔僭O(shè)lst是一個(gè)數(shù)集，并擁有一個(gè)排序方法sort需要將如何確定順序作為參數(shù)。
如果函數(shù)不能作為參數(shù)，那么lst的sort方法只能接受普通對(duì)象作為參數(shù)。這樣一來(lái)我們需要首先定義一個(gè)接口，然后定義一個(gè)實(shí)現(xiàn)該接口的類(lèi)，最后將該類(lèi)的一個(gè)實(shí)例傳給sort方法，由sort調(diào)用這個(gè)實(shí)例的compare方法，就像這樣：

復(fù)制代碼代碼如下:

#偽代碼

interface Comparator {

    compare(o1, o2)

}

lst = list(range(5))

lst.sort(Comparator() {

    compare(o1, o2) {

        return o2 - o1 //逆序

})

可見(jiàn)，我們定義了一個(gè)新的接口、新的類(lèi)型（這里是一個(gè)匿名類(lèi)），并new了一個(gè)新的對(duì)象只為了調(diào)用一個(gè)方法。如果這個(gè)方法可以直接作為參數(shù)傳遞會(huì)怎樣呢？看起來(lái)應(yīng)該像這樣：

復(fù)制代碼代碼如下:

def compare(o1, o2): 

    return o2 - o1 #逆序 

lst = list(range(5)) 

lst.sort(compare)

請(qǐng)注意，前一段代碼已經(jīng)使用了匿名類(lèi)技巧從而省下了不少代碼，但仍然不如直接傳遞函數(shù)簡(jiǎn)單、自然。

匿名函數(shù)(lambda)

lambda提供了快速編寫(xiě)簡(jiǎn)單函數(shù)的能力。對(duì)于偶爾為之的行為，lambda讓你不再需要在編碼時(shí)跳轉(zhuǎn)到其他位置去編寫(xiě)函數(shù)。
lambda表達(dá)式定義一個(gè)匿名的函數(shù)，如果這個(gè)函數(shù)僅在編碼的位置使用到，你可以現(xiàn)場(chǎng)定義、直接使用：

復(fù)制代碼代碼如下:

lst.sort(lambda o1, o2: o1.compareTo(o2))

相信從這個(gè)小小的例子你也能感受到強(qiáng)大的生產(chǎn)效率：）

封裝控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)置模板函數(shù)

為了避開(kāi)邊界效應(yīng)，函數(shù)式風(fēng)格盡量避免使用變量，而僅僅為了控制流程而定義的循環(huán)變量和流程中產(chǎn)生的臨時(shí)變量無(wú)疑是最需要避免的。
假如我們需要對(duì)剛才的數(shù)集進(jìn)行過(guò)濾得到所有的正數(shù)，使用指令式風(fēng)格的代碼應(yīng)該像是這樣：

復(fù)制代碼代碼如下:

lst2 = list()

for i in range(len(lst)): #模擬經(jīng)典for循環(huán)

    if lst[i] > 0:

        lst2.append(lst[i])

這段代碼把從創(chuàng)建新列表、循環(huán)、取出元素、判斷、添加至新列表的整個(gè)流程完整的展示了出來(lái)，儼然把解釋器當(dāng)成了需要手把手指導(dǎo)的傻瓜。然而，“過(guò)濾”這個(gè)動(dòng)作是很常見(jiàn)的，為什么解釋器不能掌握過(guò)濾的流程，而我們只需要告訴它過(guò)濾規(guī)則呢？
在Python里，過(guò)濾由一個(gè)名為filter的內(nèi)置函數(shù)實(shí)現(xiàn)。有了這個(gè)函數(shù)，解釋器就學(xué)會(huì)了如何“過(guò)濾”，而我們只需要把規(guī)則告訴它：

復(fù)制代碼代碼如下:

lst2 = filter(lambda n: n > 0, lst)

這個(gè)函數(shù)帶來(lái)的好處不僅僅是少寫(xiě)了幾行代碼這么簡(jiǎn)單。
封裝控制結(jié)構(gòu)后，代碼中就只需要描述功能而不是做法，這樣的代碼更清晰，更可讀。因?yàn)楸荛_(kāi)了控制結(jié)構(gòu)的干擾，第二段代碼顯然能讓你更容易了解它的意圖。
另外，因?yàn)楸荛_(kāi)了索引，使得代碼中不太可能觸發(fā)下標(biāo)越界這種異常，除非你手動(dòng)制造一個(gè)。

函數(shù)式編程語(yǔ)言通常封裝了數(shù)個(gè)類(lèi)似“過(guò)濾”這樣的常見(jiàn)動(dòng)作作為模板函數(shù)。唯一的缺點(diǎn)是這些函數(shù)需要少量的學(xué)習(xí)成本，但這絕對(duì)不能掩蓋使用它們帶來(lái)的好處。

閉包(closure)

閉包是綁定了外部作用域的變量（但不是全局變量）的函數(shù)。大部分情況下外部作用域指的是外部函數(shù)。

閉包包含了自身函數(shù)體和所需外部函數(shù)中的“變量名的引用”。引用變量名意味著綁定的是變量名，而不是變量實(shí)際指向的對(duì)象；如果給變量重新賦值，閉包中能訪(fǎng)問(wèn)到的將是新的值。

閉包使函數(shù)更加靈活和強(qiáng)大。即使程序運(yùn)行至離開(kāi)外部函數(shù)，如果閉包仍然可見(jiàn)，則被綁定的變量仍然有效；每次運(yùn)行至外部函數(shù)，都會(huì)重新創(chuàng)建閉包，綁定的變量是不同的，不需要擔(dān)心在舊的閉包中綁定的變量會(huì)被新的值覆蓋。
回到剛才過(guò)濾數(shù)集的例子。假設(shè)過(guò)濾條件中的 0 這個(gè)邊界值不再是固定的，而是由用戶(hù)控制。如果沒(méi)有閉包，那么代碼必須修改為：

復(fù)制代碼代碼如下:

class greater_than_helper:

    def __init__(self, minval):

        self.minval = minval

    def is_greater_than(self, val):

        return val > self.minval

def my_filter(lst, minval):

    helper = greater_than_helper(minval)

    return filter(helper.is_greater_than, lst)

請(qǐng)注意我們現(xiàn)在已經(jīng)為過(guò)濾功能編寫(xiě)了一個(gè)函數(shù)my_filter。如你所見(jiàn)，我們需要在別的地方（此例中是類(lèi)greater_than_helper）持有另一個(gè)操作數(shù)minval。
如果支持閉包，因?yàn)殚]包可以直接使用外部作用域的變量，我們就不再需要greater_than_helper了：

復(fù)制代碼代碼如下:

def my_filter(lst, minval): 

    return filter(lambda n: n > minval, lst)

可見(jiàn)，閉包在不影響可讀性的同時(shí)也省下了不少代碼量。

函數(shù)式編程語(yǔ)言都提供了對(duì)閉包的不同程度的支持。在Python 2.x中，閉包無(wú)法修改綁定變量的值，所有修改綁定變量的行為都被看成新建了一個(gè)同名的局部變量并將綁定變量隱藏。Python 3.x中新加入了一個(gè)關(guān)鍵字 nonlocal 以支持修改綁定變量。但不管支持程度如何，你始終可以訪(fǎng)問(wèn)（讀?。┙壎ㄗ兞俊?/p>

內(nèi)置的不可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了避開(kāi)邊界效應(yīng)，不可變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是函數(shù)式編程中不可或缺的部分。不可變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證數(shù)據(jù)的一致性，極大地降低了排查問(wèn)題的難度。
例如，Python中的元組(tuple)就是不可變的，所有對(duì)元組的操作都不能改變?cè)M的內(nèi)容，所有試圖修改元組內(nèi)容的操作都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常。
函數(shù)式編程語(yǔ)言一般會(huì)提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的兩種版本（可變和不可變），并推薦使用不可變的版本。

遞歸

遞歸是另一種取代循環(huán)的方法。遞歸其實(shí)是函數(shù)式編程很常見(jiàn)的形式，經(jīng)?？梢栽谝恍┧惴ㄖ幸?jiàn)到。但之所以放到最后，是因?yàn)閷?shí)際上我們一般很少用到遞歸。如果一個(gè)遞歸無(wú)法被編譯器或解釋器優(yōu)化，很容易就會(huì)產(chǎn)生棧溢出；另一方面復(fù)雜的遞歸往往讓人感覺(jué)迷惑，不如循環(huán)清晰，所以眾多最佳實(shí)踐均指出使用循環(huán)而非遞歸。

這一系列短文中都不會(huì)關(guān)注遞歸的使用。
<第一節(jié)完>

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