【译】JavaScript 中的函数式编程原理

摘要：在这篇文章中，我将通过中的大量代码示例向您详细介绍函数式编程和一些重要概念。注意在函数式编程中不鼓励可变性。纯函数是稳定，一致并且可预测的。

原文：Functional Programming Principles in Javascript
作者：TK
译者：博轩

经过很长一段时间的学习和面向对象编程的工作，我退后一步，开始思考系统的复杂性。

“复杂性是任何使软件难以理解或修改的东西。” -  John Outerhout

做了一些研究，我发现了函数式编程概念，如不变性和纯函数。 这些概念使你能够构建无副作用的功能，而函数式编程的一些优点，也使得系统变得更加容易维护。

在这篇文章中，我将通过 JavaScript 中的大量代码示例向您详细介绍函数式编程和一些重要概念。

维基百科：Functional programming

函数式编程是一种编程范式，一种构建计算机程序结构和元素的方式，将计算视为数学函数的评估并避免改变状态和可变数据 -- 维基百科

当我们想要理解函数式编程时，我们学到的第一个基本概念是纯函数。 那么我们怎么知道函数是否纯粹呢？ 这是一个非常严格的纯度定义：

如果给出相同的参数，它返回相同的结果（它也称为确定性）

它不会引起任何可观察到的副作用

我们想要实现一个计算圆的面积的函数。 不纯的函数将接收半径：radius 作为参数，然后计算 radius * radius * PI :

const PI = 3.14;

const calculateArea = (radius) => radius * radius * PI;

calculateArea(10); // returns 314

为什么这是一个不纯的功能？ 仅仅因为它使用的是未作为参数传递给函数的全局对象。

想象一下，数学家认为 PI 值实际上是 42， 并且改变了全局对象的值。

不纯的函数现在将导致 10 * 10 * 42 = 4200 .对于相同的参数（radius= 10），我们得到不同的结果。

我们来解决它吧！

const PI = 3.14;

const calculateArea = (radius, pi) => radius * radius * pi;

calculateArea(10, PI); // returns 314

现在我们将 PI 的值作为参数传递给函数。 所以现在我们只是访问传递给函数的参数。 没有外部对象(参数)。

对于参数 radius = 10 和 PI = 3.14，我们将始终具有相同的结果：314

对于参数 radius = 10 和 PI = 42，我们将始终具有相同的结果：4200

如果我们的函数读取外部文件，它也不是纯函数 - 文件的内容可以更改：

const fs = require("fs");
const charactersCounter = (text) => `Character count: ${text.length}`;

function analyzeFile(filepath) {
    let fileContent = fs.readFileSync(filepath);
    return charactersCounter(fileContent);
}

任何依赖于随机数生成器的函数都不可能是纯函数：

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

什么是可观察副作用呢？其中一种示例，就是在函数内修改全局的对象，或者参数。

现在我们要实现一个函数，来接收一个整数值并返回增加 1 的值。

let counter = 1;

function increaseCounter(value) {
  counter = value + 1;
}

increaseCounter(counter);
console.log(counter); // 2

我们首先定义了变量 counter 。 然后使用不纯的函数接收该值并重新为 counter 赋值，使其值增加 1 。

注意：在函数式编程中不鼓励可变性。

上面的例子中，我们修改了全局对象。 但是我们如何才能让函数变得纯净呢？ 只需返回增加 1 的值。

let counter = 1;

const increaseCounter = (value) => value + 1;

increaseCounter(counter); // 2
console.log(counter); // 1

可以看到我们的纯函数 increaseCounter 返回 2 ，但是 counter 还保持之前的值。该函数会使返回的数字递增，而且不更改变量的值。

如果我们遵循这两个简单的规则，就会使我们的程序更加容易理解。每个功能都是孤立的，无法影响到我们的系统。

纯函数是稳定，一致并且可预测的。给定相同的参数，纯函数将始终返回相同的结果。我们不需要考虑，相同的参数会产生不同的结果，因为它永远不会发生。

纯函数的代码更加容易测试。我们不需要模拟任何执行的上下文。我们可以使用不同的上下文对纯函数进行单元测试：

给定参数 A -> 期望函数返回 B

给定参数 C -> 期望函数返回 D

一个简单的例子，函数接收一个数字集合，并期望数字集合每个元素递增。

let list = [1, 2, 3, 4, 5];

const incrementNumbers = (list) => list.map(number => number + 1);

我们接收到数字数组，使用 map 递增每个数字，并返回一个新的递增数字列表。

incrementNumbers(list); // [2, 3, 4, 5, 6]

对于输入 [1, 2, 3, 4, 5]，预期输出将是 [2, 3, 4, 5, 6]。

随着时间的推移不变，或无法改变

当数据具有不可变性时，它的状态在创建之后，就不能改变了。你不能去更改一个不可变的对象，但是你可以使用新值去创建一个新的对象。

在 JavaScript 中，我们常使用 for 循环。下面这个 for 循环有一些可变的变量。

var values = [1, 2, 3, 4, 5];
var sumOfValues = 0;

for (var i = 0; i < values.length; i++) {
  sumOfValues += values[i];
}

sumOfValues // 15

对于每次迭代，我们都在改变变量 i 和 sumOfValues 的状态。但是我们要如何处理迭代中的可变性？使用递归

let list = [1, 2, 3, 4, 5];
let accumulator = 0;

function sum(list, accumulator) {
    if (list.length == 0) {
        return accumulator;
    }

    // 移除数组第一项，并做累加
    return sum(list.slice(1), accumulator + list[0]);
}

sum(list, accumulator); // 15
list; // [1, 2, 3, 4, 5]
accumulator; // 0

所以这里我们有 sum 函数接收数值向量。 该函数调用自身，直到我们将列表清空。 对于每个“迭代”，我们会将该值添加到总累加器。

使用递归，我们可以保持变量的不可变性。 列表和累加器变量不会更改，会保持相同的值。

注意：我们可以使用reduce来实现这个功能。 我们将在高阶函数主题中介绍这个话题。

构建对象的最终状态也很常见。想象一下，我们有一个字符串，我们想将这个字符串转换为 url slug。

在 Ruby 中的面向对象编程中，我们将创建一个类，比方说，UrlSlugify。 这个类将有一个 slugify 方法将字符串输入转换为 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"

他已经实现了！（It’s implemented!）

这里我们使用命令式编程，准确的说明我们想要在 函数实现的过程中（slugify）每一步要做什么：首先是转换成小写，然后移除无用的空格，最后用连字符替换剩余的空格。

但是，在这个过程中，函数改变了输入的参数。

我们可以通过执行函数组合或函数链来处理这种变异。 换句话说，函数的结果将用作下一个函数的输入，而不修改原始输入字符串。

let string = " I will be a url slug   ";

function slugify(string) {
  return string.toLowerCase()
    .trim()
    .split(" ")
    .join("-");
}

slugify(string); // i-will-be-a-url-slug

这里我们：

toLowerCase：将字符串转换为全部小写

trim：从字符串的两端删除空格

split 和 join ：用给定字符串中的替换替换所有匹配实例

我们将所有这四个功能结合起来，就可以实现 slugify 的功能了。

维基百科：Referential transparency

如果表达式可以替换为其相应的值而不更改程序的行为，则该表达式称为引用透明。这要求表达式是纯粹的，也就是说相同输入的表达式值必须相同，并且其评估必须没有副作用。-- 维基百科

让我们实现一个计算平方的方法：

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

在给定相同输入的情况下，此纯函数将始终具有相同的输出。

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

把 2 传递给 square 方法将始终返回 4。所以，现在我们可以使用 4 来替换 square(2)。我们的函数是引用透明的。

基本上，如果函数对同一输入始终产生相同的结果，则引用透明。

pure functions + immutable data = referential transparency

纯函数 + 不可变数据 = 参照透明度

有了这个概念，我们可以做一件很 cool 的事情，就是使这个函数拥有记忆（memoize）。
想象一下我们拥有这样一个函数：

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

我们用这些参数调用它：

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

sum(5, 8) 等于 13。这个函数总是返回 13。因此，我们可以这样做：

sum(3, 13);

这个表达式总是会返回 16 。我们可以用一个数值常量替换整个表达式，并记住它。

这里推荐一篇淘宝FED关于 memoize 的文章：性能优化：memoization

函数作为一等公民，意味着函数也可以视为值处理，并当做数据来使用。

函数作为一等公民有如下特性：

可以当做常量，或者变量来引用

将函数当做参数传递给其他函数

将函数作为其他函数的返回值

我们的想法是函数视为值并将它们作为参数传递。 这样我们就可以组合不同的函数来创建具有新行为的新函数。

想象一下，我们有一个函数可以将两个值相加，然后将该值加倍：

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

现在是一个，将两值相减，并返回该值加倍的函数：

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

这些函数具有相似的逻辑，但是计算时的运算符不同。 如果我们可以将函数视为值并将它们作为参数传递，我们可以构建一个函数来接收运算符函数并在函数中使用它。

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

现在我们有一个函数参数：f，并用它来处理 a 和 b 。 我们传递了 sum 和 subtraction 函数以使用 doubleOperator 函数进行组合并创建一个新行为。

维基百科：Higher-order function

当我们谈论高阶函数时，通常是指一个函数同时具有：

将一个或多个函数作为参数，或

返回一个函数作为结果

我们上面实现的 doubleOperator 函数是一个高阶函数，因为它将一个运算符函数作为参数并使用它。

您可能已经听说过 filter，map 和 reduce 。 我们来看看这些。

给定一个集合，我们希望按照属性进行过滤。filter 函数需要 true 或者 false 值来确定元素是否应该包含在结果集合中。基本上，如果回调表达式返回的是 true ，filter 函数返回的结果会包含该元素。否则，就不会包含该元素。

一个简单的例子是当我们有一个整数集合时，我们只想要过滤偶数。

使用 JavaScript 来实现时，需要如下操作：

创建一个空数组 evenNumbers

迭代数字数组

将偶数推到 evenNumbers 数组

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]

我们还可以使用 filter 高阶函数来接收 even 函数，并返回偶数列表：

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上解决的一个有趣问题是Filter Array问题。 问题的想法是过滤给定的整数数组，并仅输出那些小于指定值X的值。

针对此问题，命令式JavaScript解决方案如下：

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]

我们的函数会做如下的事情 - 迭代集合，将集合当前项与 x 进行比较，如果它符合条件，则将此元素推送到 resultArray。

但我们想要一种更具声明性的方法来解决这个问题，并使用过滤器高阶函数。

声明式 JavaScript 解决方案将是这样的：

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 函数中使用 this 首先看起来有点奇怪，但很容易理解。

this 将作为第二个参数传给 filter 方法。在这个示例中，3（x）代表 this。

这样的操作也可以用于集合。 想象一下，我们有一个人物集合，包含了 name、 age 属性。

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

我们希望仅过滤指定年龄值的人，在此示例中，年龄超过18岁的人。

const olderThan18 = person => person.age > 18;
const overAge = people => people.filter(olderThan18);
overAge(people); // [{ name: "TK", age: 26 }, { name: "Kazumi", age: 30 }]

代码摘要：

我们有一份人员名单（姓名和年龄）。

我们有一个函数 oldThan18。在这种情况下，对于 people 数组中的每个人，我们想要访问年龄并查看它是否超过 18 岁。

我们根据此功能过滤所有人。

map 的概念是转换一个集合。

map 方法会将集合传入函数，并根据返回的值构建新集合。

让我们使用刚才的 people 集合。我们现在不想过滤年龄了。我们只想得到一个列表，元素就像：TK is 26 years old。所以最后的字符串可能是 ：name is：age years old 其中 ：name 和 ：age 是 people 集合中每个元素的属性。

下面是使用命令式 JavaScript 编码的示例：

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"]

下面是使用声明式 JavaScript 编码的示例：

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"]

要做的事情是将给定数组转换为新数组。

另一个有趣的 Hacker Rank 问题是更新列表问题。 我们只想用它们的绝对值更新给定数组的值。

例如，输入 [1,2,3-4,5] 需要输出为 [1,2,3,4,5] 。 -4 的绝对值是 4。

一种简单的解决方案是将每个集合的值进行就地更新 (in-place)。

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]

我们使用 Math.abs 函数将值转换为其绝对值，并进行就地更新。

这不是一个函数式的解决方案。

首先，我们了解了不变性。 我们知道不可变性对于使我们的函数更加一致和可预测非常重要。 我们的想法是建立一个具有所有绝对值的新集合。

第二，为什么不在这里使用 map 来转换所有数据？

我的第一个想法是测试 Math.abs 函数只处理一个值。

Math.abs(-1); // 1
Math.abs(1); // 1
Math.abs(-2); // 2
Math.abs(2); // 2

我们希望将每个值转换为正值（绝对值）。

现在我们知道如何对一个值进行取绝对值的操作，我们可以将这个函数通过参数的方式传递给 map 。你还记得高阶函数可以接收函数作为参数并使用它吗？ 是的，map 可以。

let values = [1, 2, 3, -4, 5];

const updateListMap = (values) => values.map(Math.abs);

updateListMap(values); // [1, 2, 3, 4, 5]

Wow，鹅妹子嘤！

reduce 函数的概念是，接收一个函数和一个集合，然后组合他们来创建返回值。

一个常见的例子是获得订单的总金额。想象一下，你正在一个购物网站购物。你增加了 Product 1，Product 2，Product 3，Product 4 到你的购物车。现在我们要计算购物车的总金额。

使用命令式编程的方式，我们将迭代订单列表并将每个产品金额与总金额相加。

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 ，我们可以创建一个用来处理累加的函数，并将其作为参数传给 reduce 函数。

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 = (cart) => cart.reduce(sumAmount, 0);

getTotalAmount(shoppingCart); // 120

这里我们有 shoppingCart，sumAmount函数接收当前的 currentTotalAmount ，对所有订单进行累加。

getTotalAmount 函数会接收 sumAmount 函数 从 0 开始累加购物车的值。

获得总金额的另一种方法是组合使用 map 和 reduce。 那是什么意思？ 我们可以使用 map 将 shoppingCart 转换为 amount 值的集合，然后只使用 reduce 函数和 sumAmount 函数。

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 函数接收产品对象并仅返回金额值。 所以我们这里有 [10,30,20,60] 。 然后，通过 reduce 累加所有金额。Nice~

我们看了每个高阶函数的工作原理。 我想向您展示一个示例，说明如何在一个简单的示例中组合所有三个函数。

还是购物车，想象一下在我们的订单中有一个产品列表：

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 }
]

我们想要购物车中所有图书的总金额。 就那么简单， 需要怎样编写算法？

使用 filter 函数过滤书籍类型

使用 map 函数将购物车转换为数量的集合

使用 reduce 函数累加所有项目

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

Done!