【譯】JavaScript 中的函數式編程原理

原文：Functional Programming Principles in Javascript
作者：TK
譯者：博軒

經過很長一段時間的學習和麪向對象編程的工作，我退後一步，開始思考系統的複雜性。

“複雜性是任何使軟件難以理解或修改的東西。” - John Outerhout

做了一些研究，我發現了函數式編程概念，如不變性和純函數。 這些概念使你能夠構建無副作用的功能，而函數式編程的一些優點，也使得系統變得更加容易維護。

在這篇文章中，我將通過 JavaScript 中的大量代碼示例向您詳細介紹函數式編程和一些重要概念。

什麼是函數式編程？

維基百科：Functional programming

函數式編程是一種編程範式 - 一種構建計算機程序結構和元素的方式 - 將計算視爲數學函數的評估並避免改變狀態和可變數據 - Wikipedia

純函數

當我們想要理解函數式編程時，我們學到的第一個基本概念是純函數。 那麼我們怎麼知道函數是否純粹呢？ 這是一個非常嚴格的純度定義：

• 如果給出相同的參數，它返回相同的結果（它也稱爲確定性）
• 它不會引起任何可觀察到的副作用

如果給出相同的參數，它返回相同的結果

我們想要實現一個計算圓的面積的函數。 不純的函數將接收半徑：radius 作爲參數，然後計算 radius * radius * PI :

const PI = 3.14;

const calculateArea = (radius) => radius * radius * PI;

calculateArea(10); // returns 314

爲什麼這是一個不純的功能？ 僅僅因爲它使用的是未作爲參數傳遞給函數的全局對象。

想象一下，數學家認爲 PI 值實際上是 42， 並且改變了全局對象的值。

不純的函數現在將導致 10 * 10 * 42 = 4200 .對於相同的參數（radius= 10），我們得到不同的結果。

我們來解決它吧！

const PI = 3.14;

const calculateArea = (radius, pi) => radius * radius * pi;

calculateArea(10, PI); // returns 314

現在我們將 PI 的值作爲參數傳遞給函數。 所以現在我們只是訪問傳遞給函數的參數。 沒有外部對象(參數)。

• 對於參數 radius = 10 和 PI = 3.14，我們將始終具有相同的結果：314
• 對於參數 radius = 10 和 PI = 42，我們將始終具有相同的結果：4200

讀取文件 (Node.js)

如果我們的函數讀取外部文件，它也不是純函數 - 文件的內容可以更改：

const fs = require('fs');
const charactersCounter = (text) => `Character count: ${text.length}`;

function analyzeFile(filepath) {
    let fileContent = fs.readFileSync(filepath);
    return charactersCounter(fileContent);
}

生成隨機數

任何依賴於隨機數生成器的函數都不可能是純函數：

function yearEndEvaluation() {
    if (Math.random() > 0.5) {
        return "You get a raise!";
    } else {
        return "Better luck next year!";
    }
}

它不會引起任何可觀察到的副作用

什麼是可觀察副作用呢？其中一種示例，就是在函數內修改全局的對象，或者參數。

現在我們要實現一個函數，來接收一個整數值並返回增加 1 的值。

let counter = 1;

function increaseCounter(value) {
  counter = value + 1;
}

increaseCounter(counter);
console.log(counter); // 2

我們首先定義了變量 counter 。 然後使用不純的函數接收該值並重新爲 counter 賦值，使其值增加 1 。

注意：在函數式編程中不鼓勵可變性。

上面的例子中，我們修改了全局對象。 但是我們如何才能讓函數變得純淨呢？ 只需返回增加1的值。

let counter = 1;

const increaseCounter = (value) => value + 1;

increaseCounter(counter); // 2
console.log(counter); // 1

可以看到我們的純函數 increaseCounter 返回 2 ，但是 counter 還保持之前的值。該函數會使返回的數字遞增，而且不更改變量的值。

如果我們遵循這兩個簡單的規則，就會使我們的程序更加容易理解。每個功能都是孤立的，無法影響到我們的系統。

純函數是穩定，一致並且可預測的。給定相同的參數，純函數將始終返回相同的結果。我們不需要考慮，相同的參數會產生不同的結果，因爲它永遠不會發生。

純函數的好處

容易測試

純函數的代碼更加容易測試。我們不需要模擬任何執行的上下文。我們可以使用不同的上下文對純函數進行單元測試：

• 給定參數 A -> 期望函數返回 B
• 給定參數 C -> 期望函數返回 D

一個簡單的例子，函數接收一個數字集合，並期望數字集合每個元素遞增。

let list = [1, 2, 3, 4, 5];

const incrementNumbers = (list) => list.map(number => number + 1);

我們接收到數字數組，使用 map 遞增每個數字，並返回一個新的遞增數字列表。

incrementNumbers(list); // [2, 3, 4, 5, 6]

對於輸入 [1, 2, 3, 4, 5]，預期輸出將是 [2, 3, 4, 5, 6]。

不變性

隨着時間的推移不變，或無法改變

當數據具有不可變性時，它的狀態在創建之後，就不能改變了。你不能去更改一個不可變的對象，但是你可以使用新值去創建一個新的對象。

在 JavaScript 中，我們常使用 for 循環。下面這個 for 循環有一些可變的變量。

var values = [1, 2, 3, 4, 5];
var sumOfValues = 0;

for (var i = 0; i < values.length; i++) {
  sumOfValues += values[i];
}

sumOfValues // 15

對於每次迭代，我們都在改變變量 i 和 sumOfValues 的狀態。但是我們要如何處理迭代中的可變性？使用遞歸

let list = [1, 2, 3, 4, 5];
let accumulator = 0;

function sum(list, accumulator) {
    if (list.length == 0) {
        return accumulator;
    }

    // 移除數組第一項，並做累加
    return sum(list.slice(1), accumulator + list[0]);
}

sum(list, accumulator); // 15
list; // [1, 2, 3, 4, 5]
accumulator; // 0

所以這裏我們有 sum 函數接收數值向量。 該函數調用自身，直到我們將列表清空。 對於每個“迭代”，我們會將該值添加到總累加器。

使用遞歸，我們可以保持變量的不可變性。 列表和累加器變量不會更改，會保持相同的值。

注意：我們可以使用reduce來實現這個功能。 我們將在高階函數主題中介紹這個話題。

構建對象的最終狀態也很常見。想象一下，我們有一個字符串，我們想將這個字符串轉換爲 url slug。

在 Ruby 中的面向對象編程中，我們將創建一個類，比方說，UrlSlugify。 這個類將有一個 slugify 方法將字符串輸入轉換爲 url slug 。

class UrlSlugify
  attr_reader :text
  
  def initialize(text)
    @text = text
  end

  def slugify!
    text.downcase!
    text.strip!
    text.gsub!(' ', '-')
  end
end

UrlSlugify.new(' I will be a url slug   ').slugify! # "i-will-be-a-url-slug"

他已經實現了！（It’s implemented!）

這裏我們使用命令式編程，準確的說明我們想要在 函數實現的過程中（slugify）每一步要做什麼：首先是轉換成小寫，然後移除無用的空格，最後用連字符替換剩餘的空格。

但是，在這個過程中，函數改變了輸入的參數。

我們可以通過執行函數組合或函數鏈來處理這種變異。 換句話說，函數的結果將用作下一個函數的輸入，而不修改原始輸入字符串。

let string = " I will be a url slug   ";

function slugify(string) {
  return string.toLowerCase()
    .trim()
    .split(" ")
    .join("-");
}

slugify(string); // i-will-be-a-url-slug

這裏我們：

• toLowerCase：將字符串轉換爲全部小寫
• trim：從字符串的兩端刪除空格
• split 和 join ：用給定字符串中的替換替換所有匹配實例

我們將所有這四個功能結合起來，就可以實現 slugify 的功能了。

參考透明度

維基百科：Referential transparency

如果表達式可以替換爲其相應的值而不更改程序的行爲，則該表達式稱爲引用透明。這要求表達式是純粹的，也就是說相同輸入的表達式值必須相同，並且其評估必須沒有副作用。-- 維基百科

讓我們實現一個計算平方的方法：

const square = (n) => n * n;

在給定相同輸入的情況下，此純函數將始終具有相同的輸出。

square(2); // 4
square(2); // 4
square(2); // 4
// ...

把 2 傳遞給 square 方法將始終返回 4。所以，現在我們可以使用 4 來替換 square(2)。我們的函數是引用透明的。

基本上，如果函數對同一輸入始終產生相同的結果，則引用透明。

pure functions + immutable data = referential transparency

純函數 + 不可變數據 = 參照透明度

有了這個概念，我們可以做一件很 cool 的事情，就是使這個函數擁有記憶（memoize）。
想象一下我們擁有這樣一個函數：

const sum = (a, b) => a + b;

我們用這些參數調用它：

sum(3, sum(5, 8));

sum(5, 8) 等於 13。這個函數總是返回 13。因此，我們可以這樣做：

sum(3, 13);

這個表達式總是會返回 16 。我們可以用一個數值常量替換整個表達式，並記住它。

這裏有一篇淘寶FED關於 memoize 的文章：性能優化：memoization

函數是一等公民

函數作爲一等公民，意味着函數也可以視爲值處理，並當做數據來使用。

函數作爲一等公民有如下特性：

• 可以當做常量，或者變量來引用
• 將函數當做參數傳遞給其他函數
• 將函數作爲其他函數的返回值

我們的想法是函數視爲值並將它們作爲參數傳遞。 這樣我們就可以組合不同的函數來創建具有新行爲的新函數。

想象一下，我們有一個函數可以將兩個值相加，然後將該值加倍：

const doubleSum = (a, b) => (a + b) * 2;

現在是一個，將兩值相減，並返回該值加倍的函數：

const doubleSubtraction = (a, b) => (a - b) * 2;

這些函數具有相似的邏輯，但是計算時的運算符不同。 如果我們可以將函數視爲值並將它們作爲參數傳遞，我們可以構建一個函數來接收運算符函數並在函數中使用它。

const sum = (a, b) => a + b;
const subtraction = (a, b) => a - b;

const doubleOperator = (f, a, b) => f(a, b) * 2;

doubleOperator(sum, 3, 1); // 8
doubleOperator(subtraction, 3, 1); // 4

現在我們有一個函數參數：f，並用它來處理 a 和 b 。 我們傳遞了 sum 和 subtraction 函數以使用 doubleOperator 函數進行組合並創建一個新行爲。

高階函數

維基百科：Higher-order function

當我們談論高階函數時，通常是指一個函數同時具有：

• 將一個或多個函數作爲參數，或
• 返回一個函數作爲結果

我們上面實現的 doubleOperator 函數是一個高階函數，因爲它將一個運算符函數作爲參數並使用它。

您可能已經聽說過 filter，map 和 reduce 。 我們來看看這些。

Filter

給定一個集合，我們希望按照屬性進行過濾。filter 函數需要 true 或者 false 值來確定元素是否應該包含在結果集合中。基本上，如果回調表達式返回的是 true ，filter 函數返回的結果會包含該元素。否則，就不會包含該元素。

一個簡單的例子是當我們有一個整數集合時，我們只想要過濾偶數。

命令式方法

使用 JavaScript 來實現時，需要如下操作：

• 創建一個空數組 evenNumbers
• 迭代數字數組
• 將偶數推到 evenNumbers 數組

var numbers = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10];
var evenNumbers = [];

for (var i = 0; i < numbers.length; i++) {
  if (numbers[i] % 2 == 0) {
    evenNumbers.push(numbers[i]);
  }
}

console.log(evenNumbers); // (6) [0, 2, 4, 6, 8, 10]

我們還可以使用 filter 高階函數來接收 even 函數，並返回偶數列表：

const even = n => n % 2 == 0;
const listOfNumbers = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10];
listOfNumbers.filter(even); // [0, 2, 4, 6, 8, 10]

我在Hacker Rank FP上解決的一個有趣問題是Filter Array問題。 問題的想法是過濾給定的整數數組，並僅輸出那些小於指定值X的值。

針對此問題，命令式JavaScript解決方案如下：

var filterArray = function(x, coll) {
  var resultArray = [];

  for (var i = 0; i < coll.length; i++) {
    if (coll[i] < x) {
      resultArray.push(coll[i]);
    }
  }

  return resultArray;
}

console.log(filterArray(3, [10, 9, 8, 2, 7, 5, 1, 3, 0])); // (3) [2, 1, 0]

我們的函數會做如下的事情 - 迭代集合，將集合當前項與 x 進行比較，如果它符合條件，則將此元素推送到 resultArray。

聲明性處理

但我們想要一種更具聲明性的方法來解決這個問題，並使用過濾器高階函數。

聲明性 JavaScript 解決方案將是這樣的：

function smaller(number) {
  return number < this;
}

function filterArray(x, listOfNumbers) {
  return listOfNumbers.filter(smaller, x);
}

let numbers = [10, 9, 8, 2, 7, 5, 1, 3, 0];

filterArray(3, numbers); // [2, 1, 0]

在 smaller 函數中使用 this 首先看起來有點奇怪，但很容易理解。

this 將作爲第二個參數傳給 filter 方法。在這個示例中，3（x）代表 this。

這樣的操作也可以用於集合。 想象一下，我們有一個人物集合，包含了 name、 age 屬性。

let people = [
  { name: "TK", age: 26 },
  { name: "Kaio", age: 10 },
  { name: "Kazumi", age: 30 }
];

我們希望僅過濾指定年齡值的人，在此示例中，年齡超過18歲的人。

const olderThan18 = person => person.age > 18;
const overAge = people => people.filter(olderThan18);
overAge(people); // [{ name: 'TK', age: 26 }, { name: 'Kazumi', age: 30 }]

代碼摘要：

• 我們有一份人員名單（姓名和年齡）。
• 我們有一個函數 oldThan18。在這種情況下，對於 people 數組中的每個人，我們想要訪問年齡並查看它是否超過18歲。
• 我們根據此功能過濾所有人。

Map

map 的概念是轉換一個集合。

map 方法會將集合傳入函數，並根據返回的值構建新集合。

讓我們使用剛纔的 people 集合。我們現在不想過濾年齡了。我們只想得到一個列表，元素就像：TK is 26 years old。所以最後的字符串可能是 ：name is：age years old 其中 ：name 和 ：age 是 people 集合中每個元素的屬性。

下面是使用命令式 JavaScript 編碼的示例：

var people = [
  { name: "TK", age: 26 },
  { name: "Kaio", age: 10 },
  { name: "Kazumi", age: 30 }
];

var peopleSentences = [];

for (var i = 0; i < people.length; i++) {
  var sentence = people[i].name + " is " + people[i].age + " years old";
  peopleSentences.push(sentence);
}

console.log(peopleSentences); // ['TK is 26 years old', 'Kaio is 10 years old', 'Kazumi is 30 years old']

下面是使用聲明式 JavaScript 編碼的示例：

const makeSentence = (person) => `${person.name} is ${person.age} years old`;

const peopleSentences = (people) => people.map(makeSentence);
  
peopleSentences(people);
// ['TK is 26 years old', 'Kaio is 10 years old', 'Kazumi is 30 years old']

要做的事情是將給定數組轉換爲新數組。

另一個有趣的 Hacker Rank 問題是更新列表問題。 我們只想用它們的絕對值更新給定數組的值。

例如，輸入 [1,2,3-4,5] 需要輸出爲 [1,2,3,4,5] 。 -4 的絕對值是 4。

一種簡單的解決方案是將每個集合的值進行就地更新 (in-place)。

var values = [1, 2, 3, -4, 5];

for (var i = 0; i < values.length; i++) {
  values[i] = Math.abs(values[i]);
}

console.log(values); // [1, 2, 3, 4, 5]

我們使用 Math.abs 函數將值轉換爲其絕對值，並進行就地更新。

這不是一個函數式的解決方案。

• 首先，我們瞭解了不變性。 我們知道不可變性對於使我們的函數更加一致和可預測非常重要。 我們的想法是建立一個具有所有絕對值的新集合。
• 第二，爲什麼不在這裏使用 map 來轉換所有數據？

我的第一個想法是測試 Math.abs 函數只處理一個值。

Math.abs(-1); // 1
Math.abs(1); // 1
Math.abs(-2); // 2
Math.abs(2); // 2

我們希望將每個值轉換爲正值（絕對值）。

現在我們知道如何對一個值進行取絕對值的操作，我們可以將這個函數通過參數的方式傳遞給 map 。你還記得高階函數可以接收函數作爲參數並使用它嗎？ 是的，map 可以。

let values = [1, 2, 3, -4, 5];

const updateListMap = (values) => values.map(Math.abs);

updateListMap(values); // [1, 2, 3, 4, 5]

Wow，鵝妹子嚶！

Reduce

reduce 函數的概念是，接收一個函數和一個集合，然後組合他們來創建返回值。

一個常見的例子是獲得訂單的總金額。想象一下，你正在一個購物網站購物。你增加了 Product 1，Product 2，Product 3，Product 4 到你的購物車。現在我們要計算購物車的總金額。

使用命令式編程的方式，我們將迭代訂單列表並將每個產品金額與總金額相加。

var orders = [
  { productTitle: "Product 1", amount: 10 },
  { productTitle: "Product 2", amount: 30 },
  { productTitle: "Product 3", amount: 20 },
  { productTitle: "Product 4", amount: 60 }
];

var totalAmount = 0;

for (var i = 0; i < orders.length; i++) {
  totalAmount += orders[i].amount;
}

console.log(totalAmount); // 120

使用 reduce ，我們可以創建一個用來處理累加的函數，並將其作爲參數傳給 reduce 函數。

let shoppingCart = [
  { productTitle: "Product 1", amount: 10 },
  { productTitle: "Product 2", amount: 30 },
  { productTitle: "Product 3", amount: 20 },
  { productTitle: "Product 4", amount: 60 }
];

const sumAmount = (currentTotalAmount, order) => currentTotalAmount + order.amount;

const getTotalAmount = (cart) => cart.reduce(sumAmount, 0);

getTotalAmount(shoppingCart); // 120

這裏我們有 shoppingCart，sumAmount函數接收當前的 currentTotalAmount ，對所有訂單進行累加。

getTotalAmount 函數會接收 sumAmount 函數 從 0 開始累加購物車的值。

獲得總金額的另一種方法是組合使用 map 和 reduce。 那是什麼意思？ 我們可以使用 map 將 shoppingCart 轉換爲 amount 值的集合，然後只使用 reduce 函數和 sumAmount 函數。

const getAmount = (order) => order.amount;
const sumAmount = (acc, amount) => acc + amount;

function getTotalAmount(shoppingCart) {
  return shoppingCart
    .map(getAmount)
    .reduce(sumAmount, 0);
}

getTotalAmount(shoppingCart); // 120

getAmount 函數接收產品對象並僅返回金額值。 所以我們這裏有 [10,30,20,60] 。 然後，通過 reduce 累加所有金額。Nice~

我們看了每個高階函數的工作原理。 我想向您展示一個示例，說明如何在一個簡單的示例中組合所有三個函數。

還是購物車，想象一下在我們的訂單中有一個產品列表：

let shoppingCart = [
  { productTitle: "Functional Programming", type: "books", amount: 10 },
  { productTitle: "Kindle", type: "eletronics", amount: 30 },
  { productTitle: "Shoes", type: "fashion", amount: 20 },
  { productTitle: "Clean Code", type: "books", amount: 60 }
]

我們想要購物車中所有圖書的總金額。 就那麼簡單， 需要怎樣編寫算法？

• 使用 filter 函數過濾書籍類型
• 使用 map 函數將購物車轉換爲數量的集合
• 使用 reduce 函數累加所有項目

let shoppingCart = [
  { productTitle: "Functional Programming", type: "books", amount: 10 },
  { productTitle: "Kindle", type: "eletronics", amount: 30 },
  { productTitle: "Shoes", type: "fashion", amount: 20 },
  { productTitle: "Clean Code", type: "books", amount: 60 }
]

const byBooks = (order) => order.type == "books";
const getAmount = (order) => order.amount;
const sumAmount = (acc, amount) => acc + amount;

function getTotalAmount(shoppingCart) {
  return shoppingCart
    .filter(byBooks)
    .map(getAmount)
    .reduce(sumAmount, 0);
}

getTotalAmount(shoppingCart); // 70

Done!