JavaScript函數式編程究竟是什麼?

摘要： 理解函數式編程。

• 作者：前端小智
• 原文：JS中函數式編程基本原理簡介

Fundebug經授權轉載，版權歸原作者所有。

在長時間學習和使用面向對象編程之後，咱們退一步來考慮系統複雜性。

在做了一些研究之後，我發現了函數式編程的概念，比如不變性和純函數。這些概念使你能夠構建無副作用的函數，因此更容易維護具有其他優點的系統。

在這篇文章中，將通大量代碼示例來詳細介紹函數式編程和一些相關重要概念。

什麼是函數式編程

函數式編程是一種編程範式，是一種構建計算機程序結構和元素的風格，它把計算看作是對數學函數的評估，避免了狀態的變化和數據的可變。

純函數

當我們想要理解函數式編程時，需要知道的第一個基本概念是純函數，但純函數又是什麼鬼？

咱們怎麼知道一個函數是否是純函數?這裏有一個非常嚴格的定義：

• 如果給定相同的參數，則返回相同的結果(也稱爲確定性)。
• 它不會引起任何副作用。

如果給定相同的參數，則得到相同的結果

如果給出相同的參數，它返回相同的結果。 想象一下，我們想要實現一個計算圓的面積的函數。

不是純函數會這樣做，接收radius 作爲參數，然後計算radius * radius * PI：

    let PI = 3.14;
    
    const calculateArea = (radius) => radius * radius * PI;
    
    calculateArea(10); // returns 314.0

爲什麼這是一個不純函數?原因很簡單，因爲它使用了一個沒有作爲參數傳遞給函數的全局對象。

現在，想象一些數學家認爲圓周率的值實際上是42並且修改了全局對象的值。

不純函數得到10 * 10 * 42 = 4200。對於相同的參數(radius = 10)，我們得到了不同的結果。

修復它：

    let PI = 3.14;
    
    const calculateArea = (radius, pi) => radius * radius * pi;
    
    calculateArea(10, PI); // returns 314.0

現在把 PI 的值作爲參數傳遞給函數，這樣就沒有外部對象引入。

• 對於參數radius = 10和PI = 3.14，始終都會得到相同的結果：314.0。
• 對於 radius = 10 和 PI = 42，總是得到相同的結果:4200

讀取文件

下面函數讀取外部文件，它不是純函數，文件的內容隨時可能都不一樣。

    const charactersCounter = (text) => `Character count: ${text.length}`;
    
    function analyzeFile(filename) {
      let fileContent = open(filename);
      return charactersCounter(fileContent);
    }

隨機數生成

任何依賴於隨機數生成器的函數都不能是純函數。

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

無明顯副作用

純函數不會引起任何可觀察到的副作用。可見副作用的例子包括修改全局對象或通過引用傳遞的參數。

現在，咱們要實現一個函數，該接收一個整數並返對該整數進行加1操作且返回。

    let counter = 1;
    
    function increaseCounter(value) {
      counter = value + 1;
    }
    
    increaseCounter(counter);
    console.log(counter); // 2

該非純函數接收該值並重新分配counter，使其值增加1。

函數式編程不鼓勵可變性。我們修改全局對象，但是要怎麼做才能讓它變得純函數呢？只需返回增加1的值。

    let counter = 1;
    
    const increaseCounter = (value) => value + 1;
    
    increaseCounter(counter); // 2
    console.log(counter); // 1

純函數increaseCounter返回2，但是counter值仍然是相同的。函數返回遞增的值，而不改變變量的值。

如果我們遵循這兩條簡單的規則，就會更容易理解我們的程序。現在每個函數都是孤立的，不能影響系統的其他部分。

純函數是穩定的、一致的和可預測的。給定相同的參數，純函數總是返回相同的結果。

咱們不需要考慮相同參數有不同結果的情況，因爲它永遠不會發生。

純函數的好處

純函數代碼肯定更容易測試，不需要 mock 任何東西,因此，我們可以使用不同的上下文對純函數進行單元測試：

• 給定一個參數 A，期望函數返回值 B
• 給定一個參數C，期望函數返回值D

一個簡單的例子是接收一組數字，並對每個數進行加 1 這種沙雕的操作。

    let list = [1, 2, 3, 4, 5];
    
    const incrementNumbers = (list) => list.map(number => number + 1);

接收numbers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]，預期輸出是[2,3,4,5,6]。

不可變性

儘管時間變或者不變，純函數大佬都是不變的。

當數據是不可變的時，它的狀態在創建後不能更改。

咱們不能更改不可變對象，如果非要來硬的，剛需要深拷貝一個副本，然後操作這個副本。

在JS中，我們通常使用for循環，for的每次遍歷 i是個可變變量。

    var values = [1, 2, 3, 4, 5];
    var sumOfValues = 0;
    
    for (var i = 0; i < values.length; i++) {
      sumOfValues += values[i];
    }
    
    sumOfValues // 15

對於每次遍歷，都在更改i和sumOfValue狀態，但是我們如何在遍歷中處理可變性呢? 答案就是使用遞歸。

    let list = [1, 2, 3, 4, 5];
    let accumulator = 0;
    
    function sum(list, accumulator) {
      if (list.length == 0) {
        return accumulator;
      }
    
      return sum(list.slice(1), accumulator + list[0]);
    }
    
    sum(list, accumulator); // 15
    list; // [1, 2, 3, 4, 5]
    accumulator; // 0

上面代碼有個 sum 函數，它接收一個數值向量。函數調用自身，直到 list爲空退出遞歸。對於每次“遍歷”，我們將把值添加到總accumulator中。

使用遞歸，咱們保持變量不變。不會更改list和accumulator變量。它保持相同的值。

觀察:我們可以使用reduce來實現這個功能。這個在接下的高階函數內容中討論。

構建對象的最終狀態也很常見。假設我們有一個字符串，想把這個字符串轉換成url slug。

在Ruby的面向對象編程中，咱們可以創建一個類 UrlSlugify，這個類有一個slugify方法來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"

上面使用的有命令式編程方式，首先用小寫字母表示我們想在每個slugify進程中做什麼，然後刪除無用的空格，最後用連字符替換剩餘的空格。

這種方式在整個過程中改變了輸入狀態，顯然不符合純函數的概念。

這邊可以通過函數組合或函數鏈來來優化。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。

    const string = " I will be a url slug   ";
    
    const slugify = string =>
      string
        .toLowerCase()
        .trim()
        .split(" ")
        .join("-");
    
    slugify(string); // i-will-be-a-url-slug

上述代碼主要做了這幾件事：

• toLowerCase:將字符串轉換爲所有小寫字母。
• trim:刪除字符串兩端的空白。
• split和join：用給定字符串中的替換替換所有匹配實例

代碼部署後可能存在的BUG沒法實時知道，事後爲了解決這些BUG，花了大量的時間進行log 調試，這邊順便給大家推薦一個好用的BUG監控工具 Fundebug。

引用透明性

接着實現一個square 函數：

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

給定相同的輸入，這個純函數總是有相同的輸出。

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

將2作爲square函數的參數傳遞始終會返回4。這樣咱們可以把square(2)換成4，我們的函數就是引用透明的。

基本上，如果一個函數對於相同的輸入始終產生相同的結果，那麼它可以看作透明的。

有了這個概念，咱們可以做的一件很酷的事情就是記住這個函數。假設有這樣的函數

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

用這些參數來調用它

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

sum(5, 8) 總等於13，所以可以做些騷操作：

    sum(3, 13);

這個表達式總是得到16，咱們可以用一個數值常數替換整個表達式，並把它記下來。

函數是 JS 中的一級公民

函數作爲 JS 中的一級公民，很風騷，函數也可以被看作成值並用作數據使用。

• 從常量和變量中引用它。
• 將其作爲參數傳遞給其他函數。
• 作爲其他函數的結果返回它。

其思想是將函數視爲值，並將函數作爲數據傳遞。通過這種方式，我們可以組合不同的函數來創建具有新行爲的新函數。

假如我們有一個函數，它對兩個值求和，然後將值加倍，如下所示：

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

對應兩個值求差，然後將值加倍：

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

這些函數具有相似的邏輯，但區別在於運算符的功能。 如果我們可以將函數視爲值並將它們作爲參數傳遞，我們可以構建一個接收運算符函數並在函數內部使用它的函數。

    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

f參數並用它來處理a和b， 這裏傳遞了sum函數和subtraction並使用doubleOperator函數進行組合並創建新行爲。

高階函數

當我們討論高階函數時，通常包括以下幾點：

• 將一個或多個函數作爲參數
• 返回一個函數作爲結果

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。

我們經常用的filter、map和reduce都是高階函數，Look see see。

Filter

對於給定的集合，我們希望根據屬性進行篩選。filter函數期望一個true或false值來決定元素是否應該包含在結果集合中。

如果回調表達式爲真，過濾器函數將在結果集合中包含元素，否則，它不會。

一個簡單的例子是，當我們有一個整數集合，我們只想要偶數。

命令式

使用命令式方式來獲取數組中所有的偶數，通常會這樣做：

• 創建一個空數組evenNumbers
• 遍歷數組 numbers
• 將偶數 push 到evenNumbers數組中

    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高階函數來接收偶函數並返回一個偶數列表：

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。 問題是過濾給定的整數數組，並僅輸出小於指定值X的那些值。

命令式做法通常是這樣的：

    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]

聲明式方式

對於上面的總是，我們更想要一種更聲明性的方法來解決這個問題，如下所示：

    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的函數中使用 this,一開始看起來有點奇怪，但是很容易理解。

filter函數中的第二個參數表示上面 this， 也就是 x 值。

我們也可以用map方法做到這一點。想象一下，有一組信息

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

我們希望過濾 age 大於 21 歲的人，用 filter 方式

    const olderThan21 = person => person.age > 21;
    const overAge = people => people.filter(olderThan21);
    overAge(people); // [{ name: 'TK', age: 26 }, { name: 'Kazumi', age: 30 }]

map

map函數的主要思路是轉換集合。

map方法通過將函數應用於其所有元素並根據返回的值構建新集合來轉換集合。

假如我們不想過濾年齡大於 21 的人，我們想做的是顯示類似這樣的：TK is 26 years old.

使用命令式，我們通常會這樣做：

    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']

聲明式會這樣做：

    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']

整個思想是將一個給定的數組轉換成一個新的數組。

另一個有趣的HackerRank問題是更新列表問題。我們想要用一個數組的絕對值來更新它的值。

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。

一個簡單的解決方案是每個集合中值的就地更新，很危險的作法

    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。

這種方式不是最做解。

首先，前端我們學習了不變性，知道不可變性讓函數更加一致和可預測，咱們的想法是建立一個具有所有絕對值的新集合。

其次，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

我們想把每個值轉換成一個正值(絕對值)。

現在知道如何對一個值執行絕對值操作，可以使用此函數作爲參數傳遞給map函數。

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函數可以做到這一點

    let values = [1, 2, 3, -4, 5];
    
    const updateListMap = (values) => values.map(Math.abs);
    
    updateListMap(values); // [1, 2, 3, 4, 5]

Reduce

reduce函數的思想是接收一個函數和一個集合，並返回通過組合這些項創建的值。

常見的的一個例子是獲取訂單的總金額。

假設你在一個購物網站，已經將產品1、產品2、產品3和產品4添加到購物車(訂單)中。現在，我們要計算購物車的總數量：

以命令式的方式，就是便利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，我們可以構建一個函數來處理量計算sum並將其作爲參數傳遞給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 = (shoppingCart) => shoppingCart.reduce(sumAmount, 0);
    
    getTotalAmount(shoppingCart); // 120

這裏有shoppingCart，接收當前currentTotalAmount的函數sumAmount，以及對它們求和的order對象。

咱們也可以使用map將shoppingCart轉換爲一個amount集合，然後使用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接收product對象並只返回amount值，即[10,30,20,60]，然後，reduce通過相加將所有項組合起來。

三個函數的示例

看了每個高階函數的工作原理。這裏爲你展示一個示例，說明如何在一個簡單的示例中組合這三個函數。

說到購物車，假設我們的訂單中有這個產品列表

    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 }
    ]

假如相要想要購物車裏類型爲 books的總數，通常會這樣做：

• 過濾 type 爲 books的
• 使用map將購物車轉換爲amount集合。
• 用reduce將所有項加起來。

    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

代碼部署後可能存在的BUG沒法實時知道，事後爲了解決這些BUG，花了大量的時間進行log 調試，這邊順便給大家推薦一個好用的BUG監控工具 Fundebug。

關於Fundebug

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