函数式编程思维——1.1　范式转变

我们用几分钟来想象一下自己是一名伐木工人，手里有林场里最好的斧子，因此你是 工作效率最高的。突然有一天场里来了个推销的，他把一种新的砍树工具——链锯——给夸到了天上去。这人很有说服力，所以你也买了一把，不过你不懂得怎么用。你估摸着按照自己原来擅长的砍树方法，把链锯大力地挥向树干——不知道要先发动它。“链锯不过是时髦的样子货罢了”，没砍几下你就得出了这样的结论，于是把它丢到一边重新捡起用惯了的斧子。就在这个时候，有人在你面前把链锯给发动了…… 学习一种全新的编程范式，困难并不在于掌握新的语言。毕竟能拿起这本书的读者， 学过的编程语言少说也有一箩筐——语法不过是些小细节罢了。真正考验人的，是怎么学会用另一种方式去思考。 本书探讨函数式编程的话题，但重点并不放在函数式编程语言上。请别误会，我并不 打算空谈理论，书里会有用很多种语言写成的大量代码，实际上整本书都是围绕着代码来展开的。用“函数式”的方式编写代码牵涉到诸多方面，我会用具体的例子来解说各方面的要旨，包括设计上的种种取舍、不同重用单元的作用等。比起语法，我更看重思路，因此解说会从Java 语言入手，毕竟这是最大的开发者群体的最基本的共同语言，而且会掺杂Java8 和旧版Java 的例子。我会尽可能地用Java 语言（或其近亲）来解释函数式编程概念，仅仅用其他语言来演示一些独有的特性。也许你对Scala 和Clojure 一点都不感兴趣，下半辈子能有现在用着的语言就心满意足了，可是你的语言并不会停下来，反而时刻都在变得更加函数式，也径直带着你一起。所以说，现在快来学学函数式编程范式吧，这样，当有一天（不是假如）函数式降临你日常使用的语言的时候，你才知道如何驾驭它。我们不妨先了解一下，为什么所有的语言都日渐向函数式靠拢。 1.1　范式转变 计算机科学的进步经常是间歇式的，好思路有时搁置数十年后才突然间变成主流。举 个例子，第一种面向对象的语言Simula 67 是1967 年发明的，可是直到1983 年诞生的C++ 终于流行起来以后，面向对象才真正成为主流。很多时候，再优秀的想法也得等待技术基础慢慢成熟。早年Java 总被认为太慢，内存耗费太高，不适合高性能的应用，如今硬件市场的变迁把它变成了极具吸引力的选择。 函数式编程的发展轨迹与面向对象编程十分相似，它也是诞生在学院里，然后用几十 年的时间悄悄浸染了所有的现代编程语言。不过，仅仅在语言里加入一些新语法，并不足以让开发者完全发挥出这种新思维的全部力量。 我们的讨论可以从两种风格的对比开始，尝试分别用传统编程风格（命令式的循环） 和函数式特征更明显的方式来解决同一道题目。这道题目出自计算机科学史上的著名事件，是当年Communications of the ACM 杂志“Programming Pearls”专栏的作者Jon Bentley 向计算机科学先驱Donald Knuth 提出的挑战。涉猎过文本操作的开发者会很熟悉这道题目：读入一个文本文件，确定所有单词的使用频率并从高到低排序，打印出所有单词及其频率的排序列表。对于问题中的词频统计部分，我给出了一个“传统”Java 的解答，见例1-1。 例1-1 首先建立了一个“虚词”（nonwords）的集合（包括冠词和其他起连接作用的 词），然后实现了wordFreq() 方法。方法中首先建立一个Map 结构来容纳由单词和词频组成的键值对，接着构造了一个用来识别单词的正则表达式。接下来的大段篇幅逐一遍历所有找到的单词，将首次遇到的单词添入Map 结构，将重复遇到的单词的出现次数加1。对于提倡以步进方式处理集合（如例中正则表达式的匹配结果）遍历的语言来说，这是司空见惯的编码风格。 Java 8 新增了Stream API 和以lambda 块方式实现的高阶函数（后文将会详细介绍），我们利用这些新的编程手段来改写上面的例子，就得到例1-2。 在例1-2 里，我将正则表达式的匹配结果转换为stream，更方便后续执行互相独立的几项操作：将所有的单词条目转换为小写，滤除虚词，计算余下单词的词频。我把regexToList() 方法经由find() 产生的匹配结果集合转换成stream，这是为了让后续的操作能够像我们考虑问题的方式一样，做完一步再去做下一步。虽然将命令式风格的例1-1改为对集合进行三次循环遍历（第一遍把所有的单词变成小写，第二遍滤除虚词，第三遍计算词频）也能达成目的，但这种写法的效率会惨不忍睹。例1-1 在一个迭代块里完成三项操作，这是牺牲了代码的清晰来换取执行性能。哪怕这种牺牲再稀松平常，我总是不情愿的。 Clojure 语言（http://clojure.org/）的发明人Rich Hickey 在Strange Loop 会议 上做过一堂题为“Simple Made Easy” 的演（http://www.infoq.com/presentations/Simple-Made-Easy），他翻出了一个已经很少用到的老词——“交织”（complect）：穿插缠绕地合为一体，使错综复杂。命令式编程风格常常迫使我们出于性能考虑，把不同的任务交织起来，以便能够用一次循环来完成多个任务。而函数式编程用map()、filter() 这些高阶函数把我们解放出来，让我们站在更高的抽象层次上去考虑问题，把问题看得更清楚。后文我们将看到许多函数式思维破解交织现象的例子。