摘要:组合子是演算中的一个概念,是任意函数的不动点,在函数式编程中主要作用是提供一种匿名函数的递归方式。组合子如下本文将尽量通俗易懂的以实现匿名函数递归为导向,推导出这一式子。若将替换为,将导致组合子中的作为的参数被立即求值。
Y 组合子是 lambda 演算中的一个概念,是任意函数的不动点,在函数式编程中主要作用是 提供一种匿名函数的递归方式。
Y 组合子如下:
$$ λf.(λx.f(x x))(λx.f(x x)) $$
本文将尽量通俗易懂的以 实现匿名函数递归 为导向,推导出这一式子。
一、简介 1. lambda 表达式简介这部分通过 js 函数介绍 lambda 表达式,如果已经了解 lambda 演算 可以跳过这一部分。
了解一个新领域的最好方法是用已有知识进行类比。
我们可以把每一个 lambda 表达式解释为一个 js 函数:
"λ" 字符可以看作 function 声明,"."字符前为参数列表,"."字符后为函数体。
lambda 表达式不能被命名(赋值给变量),这也是为什么lambda演算需要引入 Y组合子的原因。
lambda 表达式只允许定义一个参数。
使用 | lamda 表达式 | javascript 箭头函数 | javascript 函数表达式 |
---|---|---|---|
函数 | λx.x+1 | x=>x+1; | (function(x){return x+1;}); |
函数调用 | (λx.x+1)4 | (x=>x+1)(4); | (function(x){return x+1;})(4); |
组合子对照 js 可以理解为:函数体内,没有使用外部变量。
不动点是函数的一个特征:对于函数 $f(x)$,如果有变量 $a$ 使得 $f(a)=a$ 成立,则称 $a$ 是函数 $f$ 上的一个不动点。
二、递归 1. 普通的递归递归就是函数不断调用自身
一个最基本的调用自身的函数是这样的:
var f = () => f(); f(); //> f() //> f() //> ...
但这个函数仅仅是不断的调用自身,什么也没做。
一个正常的递归函数应该有一个状态,每次调用不断的递进状态,最终可以通过判断状态结束递归:
var f = p => judge(p) ? f(step(p)) : value; // 再加上“计算”的步骤,这样这个函数才有价值: var f = p => judge(p) ? calc(f(step(p)),p) : value;
一个具体的例子,计算阶乘的函数:
var factorial = n => n ? factorial(n-1)*n : 1;
调用:
factorial(4); //=> 242. 让匿名函数递归
由于不能给函数命名,我们需要把函数作为参数传入一个高阶函数。这样,在高阶函数中,就可以使用 参数名 来引用函数,相当于变相地给函数命了名。
构造一个高阶函数invokeWithSelf,它接受一个函数作为参数,并让这个函数将自身作为参数调用其自身:
var invokeWithSelf = f => f(f);
当这个函数传入自身作为参数时
invokeWithSelf(invokeWithSelf); //> (f=>f(f))(f=>f(f)); //> (f=>f(f))(f=>f(f)); //> ...
我们得到了一个匿名的无限递归函数,仿照上一节,我们可以把这个函数改造成可以使用的递归函数
//首先需要有一个参数来保存递归状态 var func = f => p => f(f)(p); //加上状态改变和判断 var func = f => p => judge(p) ? f(f)(step(p)) : value; //增加计算 var func = f => p => judge(p) ? calc(f(f)(step(p)),p) : value;
具体例子,计算阶乘的函数:
var func = f => n => n ? f(f)(n-1)*n : 1;
调用:
func(func)(4); //> 24
匿名调用:
(f => n => n ? f(f)(n-1)*n : 1)(f => n => n ? f(f)(n-1)*n : 1)(4); //> 24
现在我们得到了一个匿名的递归函数,不过它只能用来计算阶乘。为了将其通用,我们希望将 函数的具体计算方式与其递归的形式剥离开来。
三、推导 1. 解耦递归逻辑与计算逻辑,得到 javascript 中的 Y 组合子对于刚才的函数func,我们尝试一步步将它分解成 计算逻辑 和 递归逻辑 两部分
var func = (f => n => n ? f(f)(n-1)*n : 1)(f => n => n ? f(f)(n-1)*n : 1); //调用: func(4); //> 24
开始化简 func:
var func = n => { return (f => n => n ? f(f)(n-1)*n : 1)(f => n => n ? f(f)(n-1)*n : 1); }
提取重复形式 f => n => n ? f(f)(n-1)*n : 1:
var func = n => { var fa = f => n => n ? f(f)(n-1)*n : 1; return fa(fa); }; //改写形式 var func = n => { var fa = f => { return n => n ? f(f)(n-1)*n : 1; }; return fa(fa); };
可以看出,其主要递归逻辑来自 f(f), 我们将这一部分解耦:
var func = n => { var fa = f => { var fb = n => f(f)(n); return n => n ? fb(n-1)*n : 1; }; return fa(fa); };
可以看到 返回值 不再需要 fc 接收的参数 f, 将返回值表达式具名, 以便提取出 fc, 分离逻辑:
var func = n => { var fa = f => { var fb = n => f(f)(n); var fc = n => n ? fb(n-1)*n : 1; return fc; }; return fa(fa); };
fc 还在依赖 fb, 将 fb 作为参数传入 fc, 解除 fc 对 fb 的依赖:
var func = n => { var fa = f => { var fb = n => f(f)(n); var fc = fb => n => n ? fb(n-1)*n : 1; return fc(fb); }; return fa(fa); };
可以发现 fc 是计算逻辑部分,将 fc 提取出 fa:
var func = n => { var fa = fc => f => { var fb = n => f(f)(n); return fc(fb); }; var fc = fb => n => n ? fb(n-1)*n : 1; return fa(fc)(fa(fc)); };
构造一个函数 fd, 化简返回值的形式:
var func = n => { var fa = fc => f => { var fb = n => f(f)(n); return fc(fb); }; var fc = fb => n => n ? fb(n-1)*n : 1; var fd = fa => fc => { return fa(fc)(fa(fc)); } return fd(fa)(fc); };
将 fa 带入 fd, 得到递归逻辑部分:
var func = n => { var fc = fb => n => n ? fb(n-1)*n : 1; var fd = fc => { var fa = fc => f => { var fb = n => f(f)(n); return fc(fb); }; return fa(fc)(fa(fc)); } return fd(fc); }; //化简fd var func = n => { var fc = fb => n => n ? fb(n-1)*n : 1; var fd = fc => { var fa = f => { var fb = n => f(f)(n); return fc(fb); }; return fa(fa); } return fd(fc); }; //化简fd var func = n => { var fc = fb => n => n ? fb(n-1)*n : 1; var fd = fc => (f => fc(n => f(f)(n)))(f => fc(n => f(f)(n))); return fd(fc); };
可以看到,两部分逻辑已经分离,可以得到 javascript 中的 Y 组合子:
var fn = fc; var Y = fd;
将参数名替换一下,得到 Y 组合子与计算逻辑 fn:
var fn = f => n => n ? f(n-1)*n : 1; var Y = y => (x => y(n => x(x)(n)))(x => y(n => x(x)(n)));
调用测试:
Y(fn)(4); //> 242. Y组合子与惰性求值
你可能注意到,刚才推导出的 Y 组合子形式与 其 λ 表达式的等价形式不一致
/*λ 表达式的等价形式*/ Y = y => (x => y(x(x)))(x => y(x(x))); /*推导出的形式*/ Y = y => (x => y(n => x(x)(n)))(x => y(n => x(x)(n)));
对比不难发现 n => x(x)(n) 应化为 x(x),并且尝试直接使用等价形式时会发生爆栈
我们知道,上面的两种形式几乎是等价的,例如:
var print = str => console.log(str); // 在一个参数的情况下,等价于: var print = console.log;
但当它们作为函数参数时,其实有着略微不同:
//接收一个函数,但不使用它 var y = xn => { console.log("run y"); return false ? xn(1) : 0; }; //接收任意一个参数,返回一个函数 var x = n => { console.log("run x"); return n1 => n1; }; //调用,将参数直接传入 y(x(1)); //> "run x" //> "run y" //调用,将参数包裹在匿名函数中传入 y((n1)=>x(1)(n1)); //> "run y"
可以看到,在 y(x(1)) 的过程中,根本没有用到参数 x(1) 的值,但程序不在乎这一点,首先求出了 x(1) 的值;
第二个表达式中参数 x(1) 被“包裹”在一个匿名函数中,并没有运行。
对于函数参数的求值策略,不同的语言不相同:
在函数调用时,立即求值,称作“严格求值”(Eager evaluation), js / c++ / c# 均使用严格求值
在函数运行时动态地求值,称作“惰性求值”(Lazy evaluation), 以 Haskell 为代表的函数式编程语言默认使用
javascript 中使用的是严格求值,而 lambda 表达式中使用的是惰性求值。
若将 n => x(x)(n) 替换为 x(x),将导致 Y 组合子中的 x(x) 作为 y 的参数被立即求值。
由于右边部分中 x(x) 是一个无限递归的的式子,对它求值会使它不断地调用自身,最终导致堆栈溢出。
只进行左边部分的替换并不会导致无限调用:
Y = y => (x => y(n => x(x)(n)))(x => y(n => x(x)(n))); //可化为 Y = y => (x => y(x(x))(x => y(n => x(x)(n)));
在计算这个式子时,会首先计算 参数 y 的值
完成后在计算左边的 x(x) 之前、会计算左边部分中 x 参数的值
而左边式子中 x 的值取决于右边部分的结果,右边返回值使左边的 x(x) 不再是无限递归。
函数式编程的方法感觉着实有点烧脑,还没怎么实操过。
不过 js 真是厉害,什么编程方法都能用...
一直希望能够找到一种符合人们思考方式(至少符合我自己)的编程方法,让程序变得自然、易读、易写。不断尝试中。
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