FP范式之旅

2021年01月14日 阅读数:5
这篇文章主要向大家介绍FP范式之旅,主要内容包括基础应用、实用技巧、原理机制等方面,希望对大家有所帮助。
OO makes code understandable by encapsulating moving parting, but FP makes code understandable by minimizing moving parts. -Michael Feathers

什么是函数式编程(FPFunctional Programming),目前彷佛并无一个让你们广泛承认的定义,今天在这里也不打算讨论这个问题。本文的目的就是带你们感觉一下函数式编程的感受,并非一个函数式编程的教程。java

伊始

咱们打算从一个简单例子带你们走进函数式编程的世界,我打算从三种不一样的语言来介绍,若是读者不熟悉某门语言的话,或者只想阅读本身熟悉的语言,彻底能够跳过不感兴趣的语言,我会尽可能把每一种语言当成一个独立的单元来说。python

破冰

由于只是带你们体验一下,咱们选取的题目相对来讲比较简单。编程

  • 问题

输入一系列文件,须要咱们统计每一个文件的行数。函数式编程

  • 说明

为了简化问题,这里咱们只去统计每一个文件中换行符\n的个数,假定最后一行也有一个换行符(固然,你也能够直接加上1获得最后的真实行数)。函数

  • 命令式

若是以传统命令式的编程方式,大概须要进行如下的分析
0. 定义一个文件行数统计列表,用来保存每一个文件的行数;
1. 循环打开文件;
2. 定义一个计数器变量count
3. 读取文件字符,判断是否为回车符\n,是则将count1
4. 当前文件读取结束,存储当前文件的行数;
5. 循环结束,返回统计结果。
上面的思惟流程很是清晰明了,也很是符合咱们日常的开发流程,下面咱们进入到各个语言中去,看看从函数式的角度去看看如何解决。code

C++

  • 表达

本例中咱们用vector<string>来表示输入的文件集合,用vector<int>来表示对应的文件行数。orm

  • 命令式

这里咱们先以命令式的方式实现这个需求,以便你们更加直观的感觉其与函数式思惟的区别教程

std::vector<int> count_lines_in_files(const std::vector<std::string>& files) {
  std::vector<int> lines;
  char c = 0;

  for (const auto& file : files) {
    int count = 0;
    std::ifstream in{file};

    while (in.get(c)) {
      if (c == '\n') count++;
    }
    lines.push_back(count);
  }
  return lines;
}
  • 函数式

咱们定义一个辅助函数open_file来转换文件到文件流。接口

std::ifstream open_file(std::string file) {
  return std::ifstream{file};
}

而后统计文件流当中的换行符\n个数内存

int count_lines(std::ifstream in) {
  return std::count(std::istreambuf_iterator<char>(in),
                    std::istreambuf_iterator<char>(),
                    '\n');
}

最后咱们分别将上面的转换函数open_file和统计函数count_lines分别映射到输入的文件的列表,在C++语言中,映射的操做就是std::transform,在pythonJava中就是map函数,这类函数在函数式编程中被称为高阶函数,他们能够接受函数做为形参,将函数视为一等公民。

std::vector<int> count_lines_in_files(const std::vector<std::string>& files) {
  std::vector<int> lines(files.size());
  std::vector<std::ifstream> filestreams(files.size());

  std::transform(std::begin(files), std::end(files), 
                 std::begin(filestreams), open_file);
  std::transform(std::begin(filestreams), std::end(filestreams), 
                 std::begin(lines), count_lines);
  return lines;
}

上面的这种解决方法,咱们没有去关心如何打开文件,以及统计是如何进行的。
上述的程式咱们只是告诉计算机咱们但愿在给定的流中去统计换行符\n,这里咱们将统计换行符这个动做count_lines封装起来,就是想说明咱们不关心count_lines这个动做,此次是统计换行符\n,下次能够是统计任意的字符或者单词,everything,只要符合咱们的接口契约就能够。
函数式编程的主要思想 —— 使用抽象去代表咱们的目的,而不是说明如何去作,只需指明输入转换为指望的输出。


上面的程序,咱们能够rangerange transformations来实现(这个是C++20才引入的),函数的意图将会更加清晰明了。

std::vector<int> count_lines_in_files(const std::vector<std::string>& files) {
  return files | transform(open_file) | transform(count_lines);
}

这里range使用管道|操做符表示经过转换来传递一个集合,有兴趣的读者能够去研究一下。

Java

  • 表达

本例中咱们能够用List<File>来表示输入的文件集合,而后构造一个List<Long>来表示对应的文件行数。

  • 命令式

关于命令式的解答这里就不在演示了,有兴趣的读者能够本身尝试。

  • 函数式

下面咱们看看java如何经过函数式思惟解决这个问题,咱们先定义一个统计函数countLine用来统计文件中换行符\n的个数。

static long countLine(File file) {
    long count = 0;

    try (Stream<String> lines = Files.lines(Paths.get(file.toURI()), Charset.defaultCharset())) {
        count = lines.map(line -> Arrays.stream(line.split("\n"))).count();
    } catch (IOException e) {
    }
    return count;
}

有了这个辅助函数,咱们利用Java8stream特性结合映射操做map,将输入的文件列表映射到统计函数countLine,最后使用收集器执行终端操做。

public static List<Long> countFilesLine(List<File> files) {
    return files.stream()
            .map(LinesCounter::countLine)
            .collect(toList());
}

上述LinesCounter::countLine 写法被称为方法引用,若是对stream或者方法引用不熟悉的读者能够参考Richard Warburton所著的java 8 函数式编程一书。

Python

  • 表达

因为python语言自身的特性,不想C++Java对类型要求严格,本例中输入文件列表和输出文件行数咱们均可以使用python内置的list数据类型来表达。

  • 函数式

这个例子对于python语言比较简单,咱们故意使用下面的方式去解答这个问题,真正的时候咱们可能不会去这么作。

def open_file(file):
    with open(file, 'r') as f:
        return f.read()

def count_line():
    return lambda file: open_file(file).count('\n')

def count_lines_in_files(files):
    return list(map(count_line(), files))

固然咱们能够利用了pythonreadlines返回文件全部行的列表,而后经过映射操做计算列表长度便可。

def read_lines(file):
    with open(file) as fin: return fin.readlines()

def count_lines_in_files(files):
    return list(map(len, map(read_lines, files)))

不过,上面的方法有个弊端,因为readlines()方法读取整个文件全部行,保存为列表,当文件过大的时候会占据过大内存。

  • 备注

虽然这里我介绍了一些FP的优势,但并不表示命令式就一无可取,相反,本人是OO的坚实拥护者,同时也是FP的粉丝,我的更加倾向于多范式的结合编程。

意犹未尽

看完这个例子,有没有激起你对函数式编程的兴趣,如有,抓紧行动起来吧…