函数式编程

为什么要学习函数式编程

函数式编程是随着 React (Hooks) 的流行受到越来越多的关注
Vue 3也开始拥抱函数式编程
函数式编程可以抛弃 this
打包过程中可以更好的利用 tree shaking 过滤无用代码
方便测试、方便并行处理
有很多库可以帮助我们进行函数式开发：lodash、underscore、ramda

什么是函数式编程

函数式编程(Functional Programming, FP)，FP 是编程范式之一，我们常听说的编程范式还有面向过程编程、面向对象编程。

面向对象编程的思维方式：把现实世界中的事物抽象成程序世界中的类和对象，通过封装、继承和多态来演示事物事件的联系
函数式编程的思维方式：把现实世界的事物和事物之间的联系抽象到程序世界（对运算过程进行抽象）
- 程序的本质：根据输入通过某种运算获得相应的输出，程序开发过程中会涉及很多有输入和输出的函数
- x -> f(联系、映射) -> y，y=f(x)
  函数式编程中的函数指的不是程序中的函数(方法)，而是数学中的函数即映射关系，例如：y= sin(x)，x和y的关系
- 相同的输入始终要得到相同的输出(纯函数)
- 函数式编程用来描述数据(函数)之间的映射

// 非函数式
let num1 = 2
let num2 = 3
let sum = num1 + num2
console.log(sum)

// 函数式
function add (n1, n2) {
    return n1 + n2
}
let sum = add(2, 3)
console.log(sum)

函数是一等公民

函数可以存储在变量中

函数可以做参数

函数可以做返回值

高阶函数

函数做参数

 function foreach(arr, fn) {
 for(let i = 0; i < arr.length; i++){
   fn(arr[i]);
 }
 }

函数做返回值

function makeFn () {
let msg = 'Hello function'
return function () {
  console.log(msg)
}
}
const fn = makeFn()
fn() // => 'Hello function'

React 高阶组件本质上就是高阶函数

常用的高阶函数，Array的方法

forEach
map
find/findIndex
includes
some
every
reduce
...

闭包

闭包 (Closure)：函数和其周围的状态(词法环境)的引用捆绑在一起形成闭包。
- 可以在另一个作用域中调用一个函数的内部函数并访问到该函数的作用域中的成员
闭包的本质：函数在执行的时候会放到一个执行栈上当函数执行完毕之后会从执行栈上移除，但是
堆上的作用域成员因为被外部引用不能释放，因此内部函数依然可以访问外部函数的成员

纯函数

相同的输入永远会得到相同的输出，而且没有任何可观察的副作用
- 纯函数就类似数学中的函数(用来描述输入和输出之间的关系)，y = f(x)
lodash 是一个纯函数的功能库，提供了对数组、数字、对象、字符串、函数等操作的一些方法
数组的slice 和splice
- slice 返回数组中的指定部分，不会改变原数组
- splice 对数组进行操作返回该数组，会改变原数组

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
// 纯函数
numbers.slice(0, 3)
// => [1, 2, 3]
numbers.slice(0, 3)
// => [1, 2, 3]
numbers.slice(0, 3)
// => [1, 2, 3]
// 不纯的函数 改变了原数组
numbers.splice(0, 3)
// => [1, 2, 3]
numbers.splice(0, 3)
// => [4, 5]
numbers.splice(0, 3)
// => []

函数式编程不会保留计算的中间结果，所以变量是不可变的
可以把一个函数的执行结果给另一个函数去处理

纯函数好处

可缓存

因为纯函数对相同的输入永远会得到相同的输出，所以可以把结果缓存起来

const _ = require('lodash')
function getArea (r) {
  return Math.PI * r * r
}
let getAreaWithMemory = _.memoize(getArea)
console.log(getAreaWithMemory(4))

自己实现一个memoize

function memoize(f) {
  let cache = {};
  return function () {
    let argStr = JSON.stringify(arguments);
    cache[argStr] = cache[argStr] || f.apply(f, arguments);
    return cache[argStr]
  }
}

可测试纯函数让测试更方便
并行处理
- 在多线程环境下并行操作共享的内存数据很可能会出现意外情况
- 纯函数不需要访问共享的内存数据，所以在并行环境下可以任意运行纯函数 (Web Worker)

副作用

// 不纯的
let mini = 18
function checkAge (age) {
  return age >= mini
}
// 纯的(有硬编码，后续可以通过柯里化解决)
function checkAge (age) {
  let mini = 18
  return age >= mini
}

副作用让一个函数变的不纯(如上例)，纯函数的根据相同的输入返回相同的输出，如果函数依赖于外部
的状态就无法保证输出相同，就会带来副作用。

副作用来源：

配置文件
数据库
获取用户的输入
...

所有的外部交互都有可能带来副作用，副作用也使得方法通用性下降不适合扩展和可重用性，同时副作用会给程序中带来安全隐患给程序带来不确定性，但是副作用不可能完全禁止，尽可能控制它们在可控范围内发生。

函数柯里化

使用柯里化解决硬编码

function checkAge (age) {
let min = 18
return age >= min
}
// 普通纯函数
function checkAge (min, age) {
return age >= min
}

checkAge(18, 24)
checkAge(18, 20)
checkAge(20, 30)

// 柯里化
function checkAge (min) {
return function (age) {
  return age >= min
}
}
// ES6 写法
let checkAge = min => (age => age >= min)
let checkAge18 = checkAge(18)
let checkAge20 = checkAge(20)
checkAge18(24)
checkAge18(20)

柯里化 (Currying)：
- 当一个函数有多个参数的时候先传递一部分参数调用它（这部分参数以后永远不变）
- 然后返回一个新的函数接收剩余的参数，返回结果

lodash 中的柯里化方法

_.curry(func) 创建一个函数，该函数接收一个或多个 func 的参数，如果 func 所需要的参数都被提供则执行 func 并返回执行的结果。否则继续返回该函数并等待接收剩余的参数。

const _ = require('lodash')
// 要柯里化的函数
function getSum (a, b, c) {
return a + b + c
}
// 柯里化后的函数
let curried = _.curry(getSum)
// 测试
curried(1, 2, 3) // => 6
curried(1)(2)(3) // => 6
curried(1, 2)(3) // => 6

模拟柯里化函数

function curry(func){
return function curriedFn(...args) {
  if (args.length < func.length) {
    return curriedFn(...args.concat(Array.from(arguments)));
  } else {
    return func(...args);
  }
}
}

柯里化总结

柯里化可以让我们给一个函数传递较少的参数得到一个已经记住了某些固定参数的新函数
这是一种对函数参数的‘缓存’（其实是闭包）
让函数变得灵活，让函数颗粒度更小
可以把多元函数变为一元函数，可以组合成更强大的函数

函数组合

纯函数和柯里化很容易写出洋葱代码 h(g(f(x)))
获取数组的最后一个元素再转换成大写字母， _.toUpper(_.first(_.reverse(array)))
函数组合可以让我们把细粒度的函数重新组合生成一个新的函数
函数组合 (compose)：如果一个函数要经过多个函数处理才能得到最终值，这个时候可以把中间
过程的函数合并成一个函数
- 函数就像是数据的管道，函数组合就是把这些管道连接起来，让数据穿过多个管道形成最终
  结果
- 函数组合默认是从右到左执行
```
// 简单组合函数
function compose (f, g) {
return function (x) {
return f(g(x))
}
}
function first (arr) {
return arr[0]
}
function reverse (arr) {
return arr.reverse()
}
// 从右到左运行
let last = compose(first, reverse)
console.log(last([1, 2, 3, 4]))
```
lodash 中的组合函数
lodash 中组合函数 flow() 或者 flowRight()，他们都可以组合多个函数
flow 从左往右执行

flowRight 从右往左执行，使用更多

const _ = require('lodash')
const toUpper = s => s.toUpperCase()
const reverse = arr => arr.reverse()
const first = arr => arr[0]
const f = _.flowRight(toUpper, first, reverse)
console.log(f(['one', 'two', 'three']))

模拟 lodash flowRight

// 多函数组合
function compose (...fns) {
return function (value) {
  return fns.reverse().reduce(function (acc, fn) {
    return fn(acc)
  }, value)
}
}
// ES6
const compose = (...fns) => value => fns.reverse().reduce((acc, fn) =>
fn(acc), value)

函数的组合要满足结合律 (associativity)：

// 结合律（associativity）
let f = compose(f, g, h)
let associative = compose(compose(f, g), h) == compose(f, compose(g, h)) // true

调试函数组合

const _ = require('lodash')
// 柯里化一个跟踪函数，记录一个tag， 打印上一步处理得到的值
const trace = _.curry((tag, v) => {
console.log(tag, v)
return v
})
const split = _.curry((sep, str) => _.split(str, sep))
const join = _.curry((sep, array) => _.join(array, sep))
const map = _.curry((fn, array) => _.map(array, fn))
const f = _.flowRight(join('-'), trace('map 之后'), map(_.toLower),
trace('split 之后'), split(' '))
console.log(f('NEVER SAY DIE'))

// 输出
// => split 之后 ['NEVER', 'SAY', 'DIE']
// => map 之后 ['never', 'say', 'die']
// => never-say-die

lodash/fp

lodash 的 fp 模块提供了实用的对函数式编程友好的方法

提供了不可变 auto-curried iteratee-first data-last 的方法 (自动柯里化函数优先数据置后)

// lodash 模块
const _ = require('lodash')
_.map(['a', 'b', 'c'], _.toUpper)
// => ['A', 'B', 'C']
_.map(['a', 'b', 'c'])
// => ['a', 'b', 'c']
_.split('Hello World', ' ')

// lodash/fp 模块
const fp = require('lodash/fp')
fp.map(fp.toUpper, ['a', 'b', 'c'])
fp.map(fp.toUpper)(['a', 'b', 'c'])
fp.split(' ', 'Hello World')
fp.split(' ')('Hello World')

const f = fp.flowRight(fp.join('-'), fp.map(_.toLower), fp.split(' '))
console.log(f('NEVER SAY DIE'))

Point Free

我们可以把数据处理的过程定义成与数据无关的合成运算，不需要用到代表数据的那个参数，只要把简单的运算步骤合成到一起，在使用这种模式之前我们需要定义一些辅助的基本运算函数。

不需要指明处理的数据
只需要合成运算过程

需要定义一些辅助的基本运算函数

const f = fp.flowRight(fp.join('-'), fp.map(_.toLower), fp.split(' '))

案例演示

// 非 Point Free 模式
// Hello World => hello_world
function f (word) {
return word.toLowerCase().replace(/\s+/g, '_');
}

// Point Free
const fp = require('lodash/fp')
const f = fp.flowRight(fp.replace(/\s+/g, '_'), fp.toLower)
console.log(f('Hello World'))

使用 Point Free 的模式，把单词中的首字母提取并转换成大写

const fp = require('lodash/fp')
const firstLetterToUpper = fp.flowRight(join('. '),
fp.map(fp.flowRight(fp.first, fp.toUpper)), split(' '))
console.log(firstLetterToUpper('world wild web'))
// => W. W. W

Functor (函子)

函子是是一个特殊的容器，通过一个普通的对象来实现，该对象具有 map 方法，map 方法可以运行一个函数对值进行处理(变形关系)

Functor 函子

// 一个容器，包裹一个值
class Container {
  // of 静态方法，可以省略 new 关键字创建对象
  static of (value) {
  return new Container(value)
  }
  constructor (value) {
    this._value = value
  }
  // map 方法，传入变形关系，将容器里的每一个值映射到另一个容器
  map (fn) {
    return Container.of(fn(this._value))
  }
}
// 测试
Container.of(3)
.map(x => x + 2)
.map(x => x * x)

总结
- 函数式编程的运算不直接操作值，而是由函子完成
- 函子就是一个实现了 map 契约的对象
- 我们可以把函子想象成一个盒子，这个盒子里封装了一个值
- 想要处理盒子中的值，我们需要给盒子的 map 方法传递一个处理值的函数（纯函数），由这个函数来对值进行处理
- 最终 map 方法返回一个包含新值的盒子（函子）

在 Functor 中如果我们传入 null 或 undefined

// 测试
Container.of(null)
.map(x => x.toUperCase()) 
// => TypeError: Cannot read property 'toUpperCase' of null

MayBe函子

我们在编程的过程中可能会遇到很多错误，需要对这些错误做相应的处理

MayBe 函子的作用就是可以对外部的空值情况做处理（控制副作用在允许的范围）

class MayBe {
static of (value) {
  return new MayBe(value);
}

constructor(value) {
  this._value = value;
}

isNothing() {
  return this._value === undefined || this._value === null;
}

map(fn) {
  return this.isNothing() ? this : MayBe.of(fn(this._value));
}
}

// 传入具体值
MayBe.of('Hello World')
.map(x => x.toUpperCase())
// 传入 null 的情况
MayBe.of(null)
.map(x => x.toUpperCase())
// => MayBe { _value: null }

存在问题：在 MayBe 函子中，我们很难确认是哪一步产生的空值问题，如下例：

MayBe.of('hello world')
.map(x => x.toUpperCase())
.map(x => null)
.map(x => x.split(' '))
// => MayBe { _value: null }

Either 函子

Either 两者中的任何一个，类似于 if...else...的处理

异常会让函数变的不纯，Either 函子可以用来做异常处理

class Left {
static of (value) {
  return new Left(value)
}
constructor (value) {
  this._value = value
}
map (fn) {
  return this
}
}

class Right {
static of (value) {
  return new Right(value)
}
constructor (value) {
  this._value = value
}
map (fn) {
  return Right.of(fn(this._value))
}
}

Either 用来处理异常

function parseJSON(json) {
try {
  return Right(JSON.parse(json))
} catch(err) {
  return Left({error: err})
}
}

let r = parseJSON('{ "name": "zs" }')
.map(x => x.name.toUpperCase())
console.log(r) // => Right : {_value: 'ZS'}

IO 函子

IO 函子中的 _value 是一个函数，这里是把函数作为值来处理
IO 函子可以把不纯的动作存储到 _value 中，延迟执行这个不纯的操作(惰性执行)，包装当前的纯操作

把不纯的操作交给调用者来处理

const fp = require('lodash/fp')
class IO {
static of (x) {
  return new IO(function () {
    return x
  })
}
constructor (fn) {
  this._value = fn
}
map (fn) {
  // 把当前的 value 和 传入的 fn 组合成一个新的函数
  return new IO(fp.flowRight(fn, this._value))
}
}

// 调用
let io = IO.of(process).map(p => p.execPath)
console.log(io._value())

Task函子异步执行

folktale 一个标准的函数式编程库

和 lodash、ramda 不同的是，他没有提供很多功能函数
只提供了一些函数式处理的操作，例如：compose、curry 等，一些函子 Task、Either、MayBe 等

const { compose, curry } = require('folktale/core/lambda')
const { toUpper, first } = require('lodash/fp')
// 第一个参数是传入函数的参数个数
let f = curry(2, function (x, y) {
  console.log(x + y)
})
f(3, 4)
f(3)(4)
// 函数组合
let f = compose(toUpper, first)
f(['one', 'two'])

Task 异步执行

const { task } = require('folktale/concurrency/task')

function readFile(filename) {
return task(resolver => {
  fs.readFile(filename, 'utf-8', (err, data) => {
    if (err) resolver.reject(err)
    resolver.resolve(data)
  })
})
}
// 调用 run 执行
readFile('package.json')
.map(split('\n'))
.map(find(x => x.includes('version')))
.run().listen({
onRejected: err => {
  console.log(err)
},
onResolved: value => {
  console.log(value)
}
})

Pointed 函子

Pointed 函子是实现了 of 静态方法的函子
of 方法是为了避免使用 new 来创建对象，更深层的含义是 of 方法用来把值放到上下文Context（把值放到容器中，使用 map 来处理值）

Monad（单子）

在使用 IO 函子的时，会出现 ._value()多次调用的问题如下

const fs = require('fs')
const fp = require('lodash/fp')
let readFile = function (filename) {
  return new IO(function() {
    return fs.readFileSync(filename, 'utf-8')
  })
}
let print = function(x) {
  return new IO(function() {
    console.log(x)
    return x
  })
}

// IO(IO(x))
let cat = fp.flowRight(print, readFile)
// 调用
let r = cat('package.json')._value()._value()
console.log(r)

Monad 函子是可以变扁的 Pointed 函子，IO(IO(x))

一个函子如果具有 join 和 of 两个方法并遵守一些定律就是一个 Monad

// IO Monad
class IO {
static of (x) {
  return new IO(function () {
    return x
  })
}
constructor (fn) {
  this._value = fn
}
map (fn) {
  return new IO(fp.flowRight(fn, this._value))
}
join () {
  return this._value()
}
flatMap (fn) {
  return this.map(fn).join()
}
}
let r = readFile('package.json')
.map(fp.toUpper)
.flatMap(print)
.join()

函数式编程