JavaScript 之函数式编程

Samon

同步发布于 https://github.com/xianshanna...

是个程序员都知道函数,但是有些人不一定清楚函数式编程的概念。

应用的迭代使程序变得越来越复杂,那么程序员很有必要创造一个结构良好、可读性好、重用性高和可维护性高的代码。

函数式编程就是一个良好的代码方式,但是这不代表函数式编程是必须的。你的项目没用到函数式编程,不代表项目不好。

什么是函数式编程(FP)?

函数式编程关心数据的映射,命令式编程关心解决问题的步骤。

函数式编程的对立面就是命令式编程

函数式编程语言中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(immutable),也就是说不允许像命令式编程语言中那样多次给一个变量赋值。

函数式编程只是一个概念(一致编码方式),并没有严格的定义。本人根据网上的知识点,简单的总结一下函数式编程的定义(本人总结,或许有人会不同意这个观点)。

函数式编程就是纯函数的应用,然后把不同的逻辑分离为许多独立功能的纯函数(模块化思想),然后再整合在一起,变成复杂的功能。

什么是纯函数?

一个函数如果输入确定,那么输出结果是唯一确定的,并且没有副作用,那么它就是纯函数。

一般符合上面提到的两点就算纯函数:

  • 相同的输入必定产生相同的输出
  • 在计算的过程中,不会产生副作用

那怎么理解副作用呢?

简单的说就是变量的值不可变,包括函数外部变量和函数内部变量。

所谓副作用,指的是函数内部与外部互动(最典型的情况,就是修改全局变量的值),产生运算以外的其他结果。

这里说明一下不可变不可变指的是我们不能改变原来的变量值。或者原来变量值的改变,不能影响到返回结果。不是变量值本来就是不可变。

纯函数特性对比例子

上面的理论描述对于刚接触这个概念的程序员,或许不好理解。下面会通过纯函数的特点一一举例说明。

输入相同返回值相同

纯函数

function test(pi) {
  // 只要 pi 确定,返回结果就一定确定。
  return pi + 2;
}
test(3);

非纯函数

function test(pi) {
  // 随机数返回值不确定
  return pi + Math.random();
}

test(3);

返回值不受外部变量的影响

非纯函数,返回值会被其他变量影响(说明有副作用),返回值不确定。

let a = 2;
function test(pi) {
  // a 的值可能中途被修改
  return pi + a;
}
a = 3;
test(3);

非纯函数,返回值受到对象 getter 的影响,返回结果不确定。

const obj = Object.create(
  {},
  {
    bar: {
      get: function() {
        return Math.random();
      },
    },
  }
);

function test(obj) {
  // obj.a 的值是随机数
  return obj.a;
}
test(obj);

纯函数,参数唯一,返回值确定。

function test(pi) {
  // 只要 pi 确定,返回结果就一定确定。
  return pi + 2;
}
test(3);

输入值是不可以被改变的

非纯函数,这个函数已经改变了外面 personInfo 的值了(产生了副作用)。

const personInfo = { firstName: 'shannan', lastName: 'xian' };

function revereName(p) {
  p.lastName = p.lastName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  p.firstName = p.firstName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  return `${p.firstName} ${p.lastName}`;
}
revereName(personInfo);
console.log(personInfo);
// 输出 { firstName: 'nannahs',lastName: 'naix' }
// personInfo 被修改了

纯函数,这个函数不影响外部任意的变量。

const personInfo = { firstName: 'shannan', lastName: 'xian' };

function reverseName(p) {
  const lastName = p.lastName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  const firstName = p.firstName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  return `${firstName} ${lastName}`;
}
revereName(personInfo);
console.log(personInfo);
// 输出 { firstName: 'shannan',lastName: 'xian' }
// personInfo 还是原值

那么你们是不是有疑问,personInfo 对象是引用类型,异步操作的时候,中途改变了 personInfo,那么输出结果那就可能不确定了。

如果函数存在异步操作,的确有存在这个问题,的确应该确保 personInfo 不能被外部再次改变(可以通过深度拷贝)。

但是,这个简单的函数里面并没有异步操作,reverseName 函数运行的那一刻 p 的值已经是确定的了,直到返回结果。

下面的异步操作才需要确保 personInfo 中途不会被改变:

async function reverseName(p) {
  await new Promise(resolve => {
    setTimeout(() => {
      resolve();
    }, 1000);
  });
  const lastName = p.lastName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  const firstName = p.firstName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  return `${firstName} ${lastName}`;
}

const personInfo = { firstName: 'shannan', lastName: 'xian' };

async function run() {
  const newName = await reverseName(personInfo);
  console.log(newName);
}

run();
personInfo.firstName = 'test';
// 输出为 tset naix,因为异步操作的中途 firstName 被改变了

修改成下面的方式就可以确保 personInfo 中途的修改不影响异步操作:

// 这个才是纯函数
async function reverseName(p) {
  // 浅层拷贝,这个对象并不复杂
  const newP = { ...p };
  await new Promise(resolve => {
    setTimeout(() => {
      resolve();
    }, 1000);
  });
  const lastName = newP.lastName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  const firstName = newP.firstName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  return `${firstName} ${lastName}`;
}

const personInfo = { firstName: 'shannan', lastName: 'xian' };

// run 不是纯函数
async function run() {
  const newName = await reverseName(personInfo);
  console.log(newName);
}

// 当然小先运行 run,然后再去改 personInfo 对象。
run();
personInfo.firstName = 'test';
// 输出为 nannahs naix

这个还是有个缺点,就是外部 personInfo 对象还是会被改到,但不影响之前已经运行的 run 函数。如果再次运行 run 函数,输入都变了,输出当然也变了。

参数和返回值可以是任意类型

那么返回函数也是可以的。

function addX(y) {
  return function(x) {
    return x + y;
  };
}

尽量只做一件事

当然这个要看实际应用场景,这里举个简单例子。

两件事一起做(不太好的做法):

function getFilteredTasks(tasks) {
  let filteredTasks = [];
  for (let i = 0; i < tasks.length; i++) {
    let task = tasks[i];
    if (task.type === 'RE' && !task.completed) {
      filteredTasks.push({ ...task, userName: task.user.name });
    }
  }
  return filteredTasks;
}
const filteredTasks = getFilteredTasks(tasks);

getFilteredTasks 也是纯函数,但是下面的纯函数更好。

两件事分开做(推荐的做法):

function isPriorityTask(task) {
  return task.type === 'RE' && !task.completed;
}
function toTaskView(task) {
  return { ...task, userName: task.user.name };
}
let filteredTasks = tasks.filter(isPriorityTask).map(toTaskView);

isPriorityTasktoTaskView 就是纯函数,而且都只做了一件事,也可以单独反复使用。

结果可缓存

根据纯函数的定义,只要输入确定,那么输出结果就一定确定。我们就可以针对纯函数返回结果进行缓存(缓存代理设计模式)。

const personInfo = { firstName: 'shannan', lastName: 'xian' };

function reverseName(firstName, lastName) {
  const newLastName = lastName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  const newFirstName = firstName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  console.log('在 proxyReverseName 中,相同的输入,我只运行了一次');
  return `${newFirstName} ${newLastName}`;
}

const proxyReverseName = (function() {
  const cache = {};
  return (firstName, lastName) => {
    const name = firstName + lastName;
    if (!cache[name]) {
      cache[name] = reverseName(firstName, lastName);
    }
    return cache[name];
  };
})();

函数式编程有什么优点?

实施函数式编程的思想,我们应该尽量让我们的函数有以下的优点:

  • 更容易理解
  • 更容易重复使用
  • 更容易测试
  • 更容易维护
  • 更容易重构
  • 更容易优化
  • 更容易推理

函数式编程有什么缺点?

  • 性能可能相对来说较差

    函数式编程可能会牺牲时间复杂度来换取了可读性和维护性。但是呢,这个对用户来说这个性能十分微小,有些场景甚至可忽略不计。前端一般场景不存在非常大的数据量计算,所以你尽可放心的使用函数式编程。看下上面提到个的例子(数据量要稍微大一点才好对比):

    首先我们先赋值 10 万条数据:

    const tasks = [];
    for (let i = 0; i < 100000; i++) {
      tasks.push({
        user: {
          name: 'one',
        },
        type: 'RE',
      });
      tasks.push({
        user: {
          name: 'two',
        },
        type: '',
      });
    }

    两件事一起做,代码可读性不够好,理论上时间复杂度为 o(n),不考虑 push 的复杂度

    (function() {
      function getFilteredTasks(tasks) {
        let filteredTasks = [];
        for (let i = 0; i < tasks.length; i++) {
          let task = tasks[i];
          if (task.type === 'RE' && !task.completed) {
            filteredTasks.push({ ...task, userName: task.user.name });
          }
        }
        return filteredTasks;
      }
    
      const timeConsumings = [];
    
      for (let k = 0; k < 100; k++) {
        const beginTime = +new Date();
        getFilteredTasks(tasks);
        const endTime = +new Date();
    
        timeConsumings.push(endTime - beginTime);
      }
    
      const averageTimeConsuming =
        timeConsumings.reduce((all, current) => {
          return all + current;
        }) / timeConsumings.length;
    
      console.log(`第一种风格平均耗时:${averageTimeConsuming} 毫秒`);
    })();

    两件事分开做,代码可读性相对好,理论上时间复杂度接近 o(2n)

    (function() {
      function isPriorityTask(task) {
        return task.type === 'RE' && !task.completed;
      }
      function toTaskView(task) {
        return { ...task, userName: task.user.name };
      }
    
      const timeConsumings = [];
    
      for (let k = 0; k < 100; k++) {
        const beginTime = +new Date();
        tasks.filter(isPriorityTask).map(toTaskView);
        const endTime = +new Date();
    
        timeConsumings.push(endTime - beginTime);
      }
    
      const averageTimeConsuming =
        timeConsumings.reduce((all, current) => {
          return all + current;
        }) / timeConsumings.length;
    
      console.log(`第二种风格平均耗时:${averageTimeConsuming} 毫秒`);
    })();

    上面的例子多次运行得出耗时平均值,在数据较少和较多的情况下,发现两者平均值并没有多大差别。10 万条数据,运行 100 次取耗时平均值,第二种风格平均多耗时 15 毫秒左右,相当于 10 万条数据多耗时 1.5 秒,1 万条数多据耗时 150 毫秒(150 毫秒用户基本感知不到)。

    虽然理论上时间复杂度多了一倍,但是在数据不庞大的情况下(会有个临界线的),这个性能相差其实并不大,完全可以牺牲浏览器用户的这点性能换取可读和可维护性。

  • 很可能被过度使用

    过度使用反而是项目维护性变差。有些人可能写着写着,就变成别人看不懂的代码,自己觉得挺高大上的,但是你确定别人能快速的看懂不? 适当的使用才是合理的。

应用场景

概念是概念,实际应用却是五花八门,没有实际应用,记住了也是死记硬背。这里总结一些常用的函数式编程应用场景。

简单使用

有时候很多人都用到了函数式的编程思想(最简单的用法),但是没有意识到而已。下面的列子就是最简单的应用,这个不用怎么说明,根据上面的纯函数特点,都应该看的明白。

function sum(a, b) {
  return a + b;
}

立即执行的匿名函数

匿名函数经常用于隔离内外部变量(变量不可变)。

const personInfo = { firstName: 'shannan', lastName: 'xian' };

function reverseName(firstName, lastName) {
  const newLastName = lastName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  const newFirstName = firstName
    .split('')
    .reverse()
    .join('');
  console.log('在 proxyReverseName 中,相同的输入,我只运行了一次');
  return `${newFirstName} ${newLastName}`;
}

// 匿名函数
const proxyReverseName = (function() {
  const cache = {};
  return (firstName, lastName) => {
    const name = firstName + lastName;
    if (!cache[name]) {
      cache[name] = reverseName(firstName, lastName);
    }
    return cache[name];
  };
})();

JavaScript 的一些 API

如数组的 forEach、map、reduce、filter 等函数的思想就是函数式编程思想(返回新数组),我们并不需要使用 for 来处理。

const arr = [1, 2, '', false];
const newArr = arr.filter(Boolean);
// 相当于 const newArr = arr.filter(value => Boolean(value))

递归

递归也是一直常用的编程方式,可以代替 while 来处理一些逻辑,这样的可读性和上手度都比 while 简单。

如下二叉树所有节点求和例子:

const tree = {
  value: 0,
  left: {
    value: 1,
    left: {
      value: 3,
    },
  },
  right: {
    value: 2,
    right: {
      value: 4,
    },
  },
};

while 的计算方式:

function sum(tree) {
  let sumValue = 0;
  // 使用列队方式处理,使用栈也可以,处理顺序不一样
  const stack = [tree];

  while (stack.length !== 0) {
    const currentTree = stack.shift();
    sumValue += currentTree.value;

    if (currentTree.left) {
      stack.push(currentTree.left);
    }

    if (currentTree.right) {
      stack.push(currentTree.right);
    }
  }

  return sumValue;
}

递归的计算方式:

function sum(tree) {
  let sumValue = 0;

  if (tree && tree.value !== undefined) {
    sumValue += tree.value;

    if (tree.left) {
      sumValue += sum(tree.left);
    }
    if (tree.right) {
      sumValue += sum(tree.right);
    }
  }

  return sumValue;
}

递归会比 while 代码量少,而且可读性更好,更容易理解。

链式编程

如果接触过 jquery,我们最熟悉的莫过于 jq 的链式便利了。现在 ES6 的数组操作也支持链式操作:

const arr = [1, 2, '', false];
const newArr = arr.filter(Boolean).map(String);
// 输出 "1", "2"]

或者我们自定义链式,加减乘除的链式运算:

function createOperation() {
  let theLastValue = 0;
  const plusTwoArguments = (a, b) => a + b;
  const multiplyTwoArguments = (a, b) => a * b;

  return {
    plus(...args) {
      theLastValue += args.reduce(plusTwoArguments);
      return this;
    },
    subtract(...args) {
      theLastValue -= args.reduce(plusTwoArguments);
      return this;
    },
    multiply(...args) {
      theLastValue *= args.reduce(multiplyTwoArguments);
      return this;
    },
    divide(...args) {
      theLastValue /= args.reduce(multiplyTwoArguments);
      return this;
    },
    valueOf() {
      const returnValue = theLastValue;
      // 获取值的时候需要重置
      theLastValue = 0;
      return returnValue;
    },
  };
}
const operaton = createOperation();
const result = operation
  .plus(1, 2, 3)
  .subtract(1, 3)
  .multiply(1, 2, 10)
  .divide(10, 5)
  .valueOf();
console.log(result);

当然上面的例子不完全都是函数式编程,因为 valueOf 的返回值就不确定。

高阶函数

高阶函数(Higher Order Function),按照维基百科上面的定义,至少满足下列一个条件的函数

  • 函数作为参数传入
  • 返回值为一个函数

简单的例子:

function add(a, b, fn) {
  return fn(a) + fn(b);
}
function fn(a) {
  return a * a;
}
add(2, 3, fn); // 13

还有一些我们平时常用高阶的方法,如 map、reduce、filter、sort,以及现在常用的 redux 中的 connect 等高阶组件也是高阶函数。

柯里化(闭包)

柯里化(Currying),又称部分求值(Partial Evaluation),是把接受多个参数的函数变换成接受一个单一参数(最初函数的第一个参数)的函数,并且返回接受余下的参数而且返回结果的新函数的技术。

柯里化的作用以下优点:

  • 参数复用
  • 提前返回
  • 延迟计算/运行
  • 缓存计算值

柯里化实质就是闭包。其实上面的立即执行匿名函数的例子就用到了柯里化。

// 柯里化之前
function add(x, y) {
  return x + y;
}

add(1, 2); // 3

// 柯里化之后
function addX(y) {
  return function(x) {
    return x + y;
  };
}

addX(2)(1); // 3

高阶组件

这是组件化流行后的一个新概念,目前经常用到。ES6 语法中 class 只是个语法糖,实际上还是函数。

一个简单例子:

class ComponentOne extends React.Component {
  render() {
    return <h1>title</h1>;
  }
}

function HocComponent(Component) {
  Component.shouldComponentUpdate = function(nextProps, nextState) {
    if (this.props.id === nextProps.id) {
      return false;
    }
    return true;
  };
  return Component;
}

export default HocComponent(ComponentOne);

深入理解高阶组件请看这里。

无参数风格(Point-free)

其实上面的一些例子已经使用了无参数风格。无参数风格不是没参数,只是省略了多余参数的那一步。看下面的一些例子就很容易理解了。

范例一:

const arr = [1, 2, '', false];
const newArr = arr.filter(Boolean).map(String);
// 有参数的用法如下:
// arr.filter(value => Boolean(value)).map(value => String(value));

范例二:

const tasks = [];
for (let i = 0; i < 1000; i++) {
  tasks.push({
    user: {
      name: 'one',
    },
    type: 'RE',
  });
  tasks.push({
    user: {
      name: 'two',
    },
    type: '',
  });
}
function isPriorityTask(task) {
  return task.type === 'RE' && !task.completed;
}
function toTaskView(task) {
  return { ...task, userName: task.user.name };
}
tasks.filter(isPriorityTask).map(toTaskView);

范例三:

// 比如,现成的函数如下:
var toUpperCase = function(str) {
  return str.toUpperCase();
};
var split = function(str) {
  return str.split('');
};
var reverse = function(arr) {
  return arr.reverse();
};
var join = function(arr) {
  return arr.join('');
};

// 现要由现成的函数定义一个 point-free 函数toUpperCaseAndReverse
var toUpperCaseAndReverse = _.flowRight(
  join,
  reverse,
  split,
  toUpperCase
); // 自右向左流动执行
// toUpperCaseAndReverse是一个point-free函数,它定义时并无可识别参数。只是在其子函数中操纵参数。flowRight 是引入了 lodash 库的组合函数,相当于 compose 组合函数
console.log(toUpperCaseAndReverse('abcd')); // => DCBA

无参数风格优点?

参风格的好处就是不需要费心思去给它的参数进行命名,把一些现成的函数按需组合起来使用。更容易理解、代码简小,同时分离的回调函数,是可以复用的。如果使用了原生 js 如数组,还可以利用 Boolean 等构造函数的便捷性进行一些过滤操作。

无参数风格缺点?

缺点就是需要熟悉无参数风格,刚接触不可能就可以用得得心应手的。对于一些新手,可能第一时间理解起来没那没快。

参考文章

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大前端探索
不断学习互联网大前端技术,分享和总结学习成果。
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