初探函数式编程

[morefreeze]

看了阮一峰的文章入门和一些国外的讲解，感觉对这几个概念理解可能有些偏差，欢迎指出问题，以下是 blog 正文。

http://morefreeze.github.io/2018/03/peek-functional-programming.html

最近遇到了一些函数式编程的概念，心想我用 Python 的 map reduce 不就是在函数式编程嘛， 但看了半天仍然一头雾水，什么是 UnitBox？flatMap 和 map 差在哪里？于是先学了阮老师的函数式编程入门教程， 唉哟喂，和我原来想的还不一样，Python 这些操作虽然算是函数式编程，但要系统地理解为什么能这样， 还得从头说起。

这里我就从阮老师的这篇文章开始，好在他是用 JS 讲解的，于是我就写个 Python 实现的版本。

基本概念

说到函数式编程，肯定都知道“函数是一等公民”这条公理，但这其中少了许多细节。

1. 这个函数只能接受一个参数，并返回一个值
2. 不满足 1 条件的函数可以通过柯里化(curry)来变形成符合 1 条件的
3. 函数之间要满足结合律

翻译成程序员理解的话就是说，函数要没有副作用，比如修改全局变量，传多个参数， 这些都是禁止的。

柯里化(curry)

柯里化简单来说就是把接受多个参数的函数通过“俄罗斯套娃”的形式，展成多个函数调用的形式， 每个函数只处理一个函数，就像这样：

def add(x, y):
    return x + y

def curry_add(x):
    return lambda y: x + y

curry_add(2)(3)         # 5

显然把好端端的函数都重写一遍挺费劲的，可以用装饰器来简化这一过程，代码受 pymonad 的启发：

def curry(f):
    num_args = f.__code__.co_argcount
    def wrap(args, num_args):
        if num_args == 0:
            return f(*args)
        # 每次返回一个只接受一个参数的函数
        return lambda x: wrap(args + [x], num_args - 1)
    return wrap([], num_args)

@curry
def add(x, y):
    return x + y

add(2)(3)       # 5

上面 curry 装饰器直接返回 wrap 的调用，而这个 wrap 的函数总是返回一个接受一个参数的函数的调用， 比如装饰 add 函数，第一层返回一个 add1(x) 的函数调用，第二层就返回一个 add2(y) 的调用，而到第三层，因为 num_args == 0，直接调用 add(x, y) 将前面的所有参数一起传给 add，最终执行 return x + y，得到计算结果。

函子(Functor)

下面轮到函子出场啦，这是基本的运算单位和功能单位。规定凡是实现了 map 方法的都是函子。

听名字有点像函数，但从应用上来看，它表示的是一些我们熟悉的数据类型，比如 int, string 等， 这些类型可以应用 map 操作，比如给一个数翻倍，将一串字符串变成大写。

让我们实现一个简单的函子：

class Functor(object):

    def __init__(self, val):
        self.val = val

    def map(self, f):
        return self. of(f(self.val))

    def __repr__(self):
        return '%s(%s)' % (self.__class__.__name__, self.val)

    @classmethod
    def of(cls, *argv, **kwargv):
        return cls(*argv, **kwargv)

Functor.of(2).map(lambda x: x * 2)                          # Functor(4)
Functor.of("foobar").map(lambda x: x.upper)                 # Functor(FOOBAR)
Functor.of(2).map(lambda x: x * 2).map(lambda x: x * 3)     # Functor(12)

函子只有一个成员 val， 就是用来存储各种数据类型的，然后有一个 map 方法，这个方法接受一个函数运算作为参数，将这个函数应用在 self.val 上， 但要注意返回的仍然是一个函子，这样后面才能继续应用 map 进行操作， 也就是说支持链式操作。

另外 __repr__ 函数只是为了方便打印调试用的。

注意到还有一个类方法 of，这是因为如果直接用 Functor() 来初始化不像函数式编程， 所以一般约定使用 of 来生成新的对象。

可以看到三个例子展示了map操作，注意到第 3 个例子是链式写法，当然这是建立在这些函数都没有副作用的前提下，稍后将会看到这种写法的局限性。

Maybe 函子

编程中经常遇到一种情况是一个成员初始值赋为 null 或 None，之后才有可能赋为它的类型的值， 在之后的函数处理中，如果用到这个值，经常会看到 if (foo == null) 或 if foo is None 的条件语句来做边界处理， 这就比较烦，所以这时要用到 Maybe 函子，它的定义如下：

class Maybe(Functor):

    def map(self, f):
        return self.of(f(self.val) if self.val else None)

Maybe.of('foobar').map(lambda s: s.upper())     # Maybe(FOOBAR)
Maybe.of(None).map(lambda s: s.upper())         # Maybe(None)

只是在实现的 map 中判断下值是否为空，再根据情况处理即可，其实就是把函数中要进行的判断放到 Maybe 函子中判断了。这个其实很像 rust 语言中的 Option。

ap 函子

Functor 只能传数据类型，再应用接受一个参数的函数，那对于已经柯里化的多参数函数怎么调用呢， 这时就用到了 ap 函子，ap 是 applicative （应用）的缩写。只要实现 ap 方法就行。

class Ap(Functor):

    def ap(self, F):
        return Ap.of(self.val(F.val))
Ap.of(lambda x: x + 2).ap(Maybe.of(2))        # Ap(4)

@curry
def add(x, y):
    return x + y
Ap.of(add).ap(Maybe.of(2)).ap(Maybe.of(3))  # Ap(5)

注意到 ap 函子和 Functor （或 Maybe ） 的不同是它用一个函数（而不是一个数据）初始化，然后将函数应用(apply)在后面的数据上。

Monad 函子

Functor.map 是接受一个普通的函数，这个普通函数接受一个普通值并返回一个普通值，那如果一个函数中可能出现异常导致需要返回一个空值，这时一般我们会让这个函数返回一个封装值，比如这样：

def tryParse(s):
    try:
        return Maybe.of(int(s))
    except ValueError:
        return Maybe.of(None)

Maybe.of('42').map(tryParse)                    # Maybe(Maybe(42))
Maybe.of('foo').map(tryParse)                   # Maybe(Maybe(None))
Maybe.of('42').map(tryParse).map(tryParse)      # TypeError

注意到经过 map 后的值多套了一层 Maybe，这样就没法再用链式写法了， 那怎么办呢，发现 map 函数接受的是一个普通值，那么只要让进出一致，就又可以愉快地用链式写法了， 也就是说新 map 接受一个封装值并返回一个封装值，里面要做的工作是去掉封装传给真正的处理函数， 我们管这种既能包普通值，又能包函数的类型叫 Monad，新 map 方法 叫 flat_map，这个方法就是把封装的值展开(flat)再应用上 map， 就像这样：

class Monad(Fuctor):

    def join(self):
        return self.val

    def flat_map(self, f):
        return self.map(f).join()

def half(x):
    try:
        return Monad.of(x / 2 if x % 2 == 0 else None)
    except TypeError:
        return Monad.of(None)

Monad.of(4).flat_map(half)                  # Monad(2)
Monad.of(3).flat_map(half)                  # Monad(None)
Monad.of(4).flat_map(half).flat_map(half)   # Monad(1)
Monad.of(3).flat_map(half).flat_map(half)   # Monad(None)

可以看到给出的后两个例子支持了链式操作，并且如果函数处理得当，对 None 值也做了处理。

但如果已经有了一些纯函数，是不是还要都改成返回 Monad 的类型呢， 肯定不啦，可以用装饰器轻松达到这个目的，就像这样：

def monadize(f):
    def _(p):
        return Monad.of(f(p))
    return _

@monadize
@curry
def add3(x):
    return x + 3

Monad.of(2).flat_map(add3).flat_map(add3)      # Monad(8)

小结

这篇文章简单讲了函数式编程的 4 个基础概念：Functor, May, Ap 和 Monad，并用 Python 简单实现了下。

1. Functor 用来包装数据类型，这里的值可以是数字，字符串，也可以是复杂对象，调用 map 方法将函数应用在包装的数据上
2. Maybe 可以将表示空值的 None 作为值，并且不会对 None 进行操作
3. Ap 可以将多参数的函数包装，调用 ap() 不断将参数填充到函数里并求值
4. Monad 使用 flat_map 接受一个返回封装值的函数，并将函数的返回值取出，将多层封装展开

下期预告

下期将会介绍函数式编程最典型的三种 Monad，有了它们，就可以在函数式编程的海洋里浪了， 所以如果你还没掌握 Monad，可以回头再看一看上面的文章，或者直接在下面留言给我 （也许需要梯子才能加载出留言）。