函数式编程及其在前端的应用

前端361

函数式编程近几年在前端开发中非常火，那么到底什么是函数式编程？这种模式相比于其他模式又有什么优势呢？本文从五个方面入手，探讨一下函数式编程，从数学思维上解释为什么要用纯函数，要有数据不可变性，要控制副作用。

概述：

函数式编程起源和概念
函数式编程的特性
函子的简单介绍
函数式编程的优势
函数式编程在前端的应用

一、函数式编程的起源和概念

1，起源

函数是数学中非常重要的概念，程序中所用到的函数和数学也是分不开的。函数式编程的起源，是一门叫做范畴论（Category Theory）的数学分支。

1.1范畴论

范畴就是使用箭头连接的物体，也就是有关联的物体。

范畴论是一门数学学科，范畴是指彼此之间存在某种关系的概念、事物、对象等等，范畴成员之间称之为态射。

数学模型

范畴论是集合论更上层的抽象，简单的理解就是"集合 + 函数"。

范畴与容器

可以把"范畴"想象成是一个容器，容器中有两样东西，一个是值，一个是变形关系函数

1.2 范畴论与函数式编程的关系

范畴中使用函数表达成员之间的关系，随着这门学科的发展，就产生了一整套函数的运算方法，在计算机硬件发展到一定阶段时，这套理论在计算机中得以实现，逐步变成了今天的函数式编程

本质上，函数式编程只是范畴论的运算方法，跟数理逻辑、微积分、行列式是同一类东西，都是数学方法，只是碰巧它能用来写程序。

1.3 数学到编程的限制

由于函数式编程从本质上讲是数学运算，原始目的是求值，不做其他事情，这也就是函数式编程为什么要求使用纯函数来编写。否则，就违背了函数最初的运算法则。

2，概念

维基百科定义：

函数式编程（英语：functional programming），又称泛函编程，是一种编程范式，它将电脑运算视为数学上的函数计算，并且避免使用程序状态以及易变对象

它属于"结构化编程"的一种，主要思想是把运算过程尽量写成一系列嵌套的函数调用

2.1 前端中函数式编程的定义

在前端开发中，主要开发语言是javascript，而js自身并不是函数式编程语言，也就没有一个明确的定义。

在前端开发中，通常使用FP 通过声明纯函数抽象数据的处理，来避免或尽可能减少函数调用对于外部状态和系统产生的副作用，这样一种思想称为函数式编程

二、函数式编程的特性

1，函数是'一等公民'

函数与其他数据类型一样，处于平等地位，可以赋值给其他变量，也可以作为参数，传入另一个函数，或者作为别的函数的返回值

2，闭包和高阶函数

函数编程支持函数作为第一类对象，有时称为闭包或者仿函数（functor）对象。实质上，就是用闭包来替代对象，存储变量。

由于函数是一等公民，函数也可以当作参数传递，就形成了高阶函数。

高阶函数可以用另一个函数（间接地，用一个表达式）作为其输入参数，在某些情况下，它甚至返回一个函数作为其输出参数。

3，惰性计算

在惰性计算中，表达式不是在绑定到变量时立即计算，而是在求值程序需要产生表达式的值时进行计算

4，声明式（表达式）

声明式代码：告诉“机器”你想要的是什么(what)，让机器想出如何去做(how)。

函数式编程要求，只使用表达式，不使用语句。也就是说，每一步都是单纯的运算，而且都有返回值。

5，纯函数

输入一定时，输出一定）：输出不受外部环境影响，同时也不影响外部环境，无副作用

immutable

纯函数的变量也不是命令式编程语言中的变量，即存储状态的单元，而是代数中的变量，即一个值的名称。变量的值是不可变的，也就是说不能多次赋值。

6，尾递归和尾调用

尾调用是函数式编程中一个很重要的概念，当一个函数执行时的最后一个步骤是返回另一个函数的调用，这就叫做尾调用。

尾递归是指在函数最后调用函数自身

7，函数柯里化

将多参数的函数转换成单参数的形式
将一个低阶函数转化为高阶函数的过程

8，函数compose

将多个函数合并成一个函数，并且和顺序无关

9，Point free

函数无须提及将要操作的数据是什么样的

这种风格能够帮助减少不必要的命名，让代码保持简洁和通用。

三、函子的简单介绍

1，函子的概念

前面介绍了范畴，将两个范畴关联起来的数据类型成为函子

函子也是基本的运算单位和功能单位。

2，函子的数据结构

任何具有map方法的数据结构，都可以当作函子的实现。

例子：

函子的of方法

函数式编程一般约定，函子有一个of方法，用来生成新的容器。

3，前端中函子的应用举例

例子

深入访问object的属性的时候，不会担心由于属性不存在、undefined、null等问题出现异常。

四、函数式编程的优势

1. 代码简洁，开发较快

函数式编程大量使用函数，功能抽离，减少了代码的重复，代码复用性高，因此程序比较短，开发速度较快。

2. 易于理解，接近自然语言

用描述性的表达式组合不同的函数形成程序，易于理解

比如：(1 + 2) * 3 - 4 <-------> subtract(multiply(add(1,2), 3), 4)

3. 易于代码的维护和管理

函数式编程不依赖、也不会改变外界的状态，只要给定输入参数，返回的结果必定相同。每一个函数都可以被看做独立单元，很有利于进行单元测试（unit testing）和除错（debugging），以及模块化组合。

4. 易于"并发编程"

函数式编程不需要考虑"死锁"（deadlock），因为它不修改变量，所以根本不存在"锁"线程的问题。不必担心一个线程的数据，被另一个线程修改，所以可以很放心地把工作分摊到多个线程，部署"并发编程"（concurrency）

5. 易于代码升级和扩展

函数式编程没有副作用，只要保证接口不变，内部实现是外部无关的。

五、函数式编程在前端的应用

1，框架层面的应用

1.1 React函数式编程

函数式编程时react框架设计的核心思想之一，每个组件其实都是一个函数，对这些函数进行组合之后形成data和view之间的映射关系，React自身可以看作是一个ui函数，入参是data

例子：

dom函数化(jsx)，react算法中的尾递归，尾调用，fiber生成算法，hooks等

1.2 vue3函数式编程

vue3新增了一个新的函数setup，类似于react的hooks

1.3 Redux函数式编程

redux是函数式编程在解决前端数据流中很典型的应用。

中间件机制（compose），纯函数Reducer，createStore(enhancer)等

1.4 Rxjs函数式编程

Rxjs是一个解决复杂异步操作的库，结合了响应式编程和函数式编程。

1.5 koa中的函数式编程

中间件的实现compose

1.6 lodash中的函数式编程

lodash中的fp模块

还有很多框架有函数式编程的应用，这里不一一列举。

2，在单元测试中的应用

严格函数式编程的每一个符号都是对直接量或者表达式结果的引用，没有函数产生副作用。对被测试程序中的每个函数，只需在意其参数，而不必考虑函数调用顺序，不用谨慎地设置外部状态。所有要做的就是传递代表了边际情况的参数。如果程序中的每个函数都通过了单元测试，软件系统的质量就有了保证

3，在es6之后的应用

箭头函数
数组的扩展 find findIndex
Map数据结构
Reflect映射
对象的链判断运算符（MayBe函子） message?.body?.user?.firstName
函数扩展尾调用优化
最新提案：函数的部分执行
gua管道运算符 >|

...

4，允许可控制的副作用共存

前端可能的副作用
更改全局状态
发送一个 http 请求
可变数据
打印/log
获取用户输入
DOM 查询
访问系统状态
在无法避免副作用的情况下，使用函子和单子来控制副作用，也包括错误的处理。
许多异步解决方案其实是函子的具体实现，比如Promise是一个Monad

总结

1，前端函数式编程的现状

函数式编程的核心是引用透明，结果可预测，数据不可变，在编程过程中带来了易于维护，并行编程的开发体验，具有很重要的意义。
函数式编程为组件的编写提供了更高的灵活度与可读性，并且更符合一个前端编写者的习惯，目前在前端应用非常广泛。尤其以react, redux应用最为流行和广泛，以及其他衍生生态。
JavaScript，作为最流行的编程语言之一，特别适合函数式编程

2，函数式编程趋势和未来展望