函数式编程那些事（上）：编程范式

当我们谈论函数式编程时，我们在谈论什么？

map, flatmap, closure,filter, reduce, functor, monoid, monad, currying, lambda, cps, predicate, y-combinator…

推荐一本关于编程范式的书，郑晖的《冒号课堂：编程范式与OOP思想》，电子工业出版社。

编程范式是什么，三大核心编程范式有哪些？
第四代、第五代编程语言有什么特点？第三代语言的演变趋势是什么？
命令式编程和过程式编程有什么联系？结构化编程是什么？
声明式编程和函数式编程有什么关系？
什么是逻辑式编程，应用在哪些领域？
面向对象编程和函数式编程是对立的吗？

编程范式

编程范式的地位

编程范式的地位经常受到忽视。在IT世界中，数据结构和算法、操作系统、网络、数据库、分布式系统、架构与设计无疑具有非常重要的地位。要在这些领域有所成就，离不开大量的编程实践。而在编程实践活动中，程序员总是自觉或不自觉地采用某种世界观和方法论，这种世界观和方法论实际就是编程范式。

编程范式是编程的心法，体现了一个人的思维方式；不同编程范式在不同语言中体现为编程风格的不同。

编程范式的定义

范式译自因为的 paradigm, 也译作“典范”、“范型”、“范例”。

可以说，编程范式是构建虚拟世界的世界观和方法论。

编程范式和编程语言

编程范式和编程语言具有如下关系：

抽象和具体。编程范式是抽象的，必须在编程语言中才能体现。
多对多对应关系：一种范式可以见于多种语言，一种语言也可以支持多种范式
主导范式：一种语言通常具有一种主导范式，由此形成这门语言的风格特征

编程语言

迄今为止，编程语言的演变大致经历了5代：

机器语言
汇编语言
高级语言
面向特定领域问题的语言
人工智能语言

目前主流的编程语言集中在第三、四、五代。

第三代语言是目前世界上最主要、最流行的编程语言，我们见到的大多数高级语言都是第三代；

第四代语言专注于业务逻辑和问题领域，不是通用性的，不满足图灵完备.

第五代语言在保持了第三代语言的通用性，此外一个突出的特点是面向人工智能领域。第四代和第五代语言有很多共同点，强调目标而不是过程，强调描述而不是实现。

实际上，第三代语言也在朝着这个方向进化。近年来很多第三代语言的新版本中增加了很多支持声明式、函数式的特性。

下面举几个例子说明一下目标和过程的区别。

例一

SQL语言属于第四代语言，注重目标，而不是过程。如：

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SELECT customer, SUM(order_price) FROM orders
GROUP BY customer
HAVING SUM(order_price) < 2000

使用SQL语言的人只需要声明自己想要的结果即可，而不必关心获取数据的具体过程。

例二

这个例子来源于《Java 8 函数式编程》，Richard Warburton著。

使用 Java 实现在 windows 控制台调用 help, 代码如下：

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try {
    Process proc = Runtime.getRuntime().exec("help");
    BufferedReader result = new BufferedReader(new InputStreamReader(proc.getInputStream(),
        "GBK"));
    String line;
    while ((line = result.readLine) != null) {
        System.out.println(line);
    }
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

这段代码体现了 Java 语言设计中根深蒂固的命令式思想。代码编写者不需要关心如此多的细节。

作为对比，使用 Groovy 实现如下：

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println "help".execute().text

接下来，我们分别了解一下主要的编程范式：命令式、声明式、逻辑式。

命令式编程

命令式编程是最常见、最传统、最普及的编程范式。

为什么？因为绝大多数高级语言都是汇编语言的升级，汇编语言是从机器语言发展而来的，而机器语言大多是在冯诺依曼机发展起来的。冯诺依曼机是基于命令式的：从机器内存中依序获取指令和数据并执行。所以说，命令式编程本质上是冯诺依曼机器的运行机制的抽象。

命令式编程的核心观点是：程序是由若干指令组成的有序列表。

命令式编程的方法论：用变量存储数据，用语句执行命令。

那么，有没有非命令式的机器语言？理论上是有的。只能存在于非冯诺依曼机上，如数据流机、归约机。

过程式编程

过程式编程是指引入了procedure、function和subprogram的命令式编程。由于大多数命令式语言都具有过程式的特征，所以这两个概念实际具有密切的联系，某些场合可以不加区分。

结构化编程

结构化编程（Structured Programming）是一种编程原则，是在过程式基础上发展起来的。

结构化定理具有非常重要的意义。具备计算机编程基础的人对此都不会感到陌生。

结构化编程还有一个 SESE 原则，即Single Entry, Single Exit. 顺序、选择、循环每个基本结构都要满足这个单入口、单出口的原则。（这个原则实际上是模拟了电路设计。）

声明式编程

声明式编程和命令式编程是相对的。

声明式编程由若干规范（specification）的声明组成，即一系列陈述句，强调做什么，而非怎么做。

声明式编程起源于人工智能的研究。现在人工智能成为热点话题，实际上人工智能的研究早在几十年前就起步了。

声明式编程主要包括函数式编程和逻辑式编程。

函数式编程和逻辑式编程都具有悠久的历史，但以前多用于学术研究而非商业应用。

逻辑式编程

函数式编程在后文会单独讲解。在此之前先了解下逻辑式编程。

逻辑式编程的代表性语言是Prolog. Prolog，是Programming in Logic的缩写，是一种以一阶谓词为基础的逻辑性语言，是人工智能通用程序设计语言。

Prolog的三大核心：

以一阶谓词逻辑为基础的Horn子句集为语法
以Robinson的消解原理为工具
深度优先的控制策略

关于逻辑式、Prolog和人工智能，涉及到很深刻的理论知识，需要深厚的科学和数学背景才能理解。这里只是简单列一下概念，当做科普。

声明式编程和命令式编程的比较

区别：

命令式编程是**行动导向（Action-Oriented）的，声明式编程是目标驱动（Goal-Driven）**的
命令式算法是显性的，目标是隐性的；声明式算法是隐性的，目标是显性的
命令式编程模拟电脑，声明式编程模拟人脑

联系：

从编程语言上看，这两种范式相互影响、相互渗透；近年来偏向命令式的语言逐渐开始支持声明特性

下面通过一个简单的 Python 的例子，演示命令式和声明式的特点。

例：

在1，2，3，4中取任意三个数字，列出所有排列。

使用REPL:

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>>> x = range(1, 5)
>>> result = []
>>> for i in x:
        for j in x:
            for k in x:
                if i != j and j != k and i != k:
                    result.append((i, j, k))
>>> result

这段代码具有鲜明的命令式风格：使用事先声明的result保存结果，使用嵌套for循环精确控制细节。

使用声明式风格如何实现？只需一句话即可：

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>>> x = range(1, 5)
>>> result = [(a, b, c) for a in x for b in x for c in x if i != j and j != k and i != k]
>>> result

BTW，实际就这个例子本身而言，完全可以采用已有的函数，因为这是一个数学问题。

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>>> x = range(1, 5)
>>> from itertools import permutations
>>> p = permutations(x, 3)
>>> result = list(p)
>>> result

三大核心编程范式

至此，我们已经了解了命令式、函数式和逻辑式，这三种编程范式被称为三大核心编程范式。

总的来讲，编程范式除了命令式就是声明式。

三大核心编程范式的比较：

范式	程序	输入	输出	程序设计	程序运行
命令式	自动状态机	初始状态	最终状态	设计指令	命令执行
函数式	数学函数	自变量	因变量	设计函数	表达式转换
逻辑式	逻辑证明	题设	结论	设计命题	逻辑推理

面向对象

OOP与其他编程范式

不知识是否留意到，上面的图中 OOP 哪里去了？

答案是 OOP 和它们不在一个范畴，简单讲，没什么关系。严格讲，是正交的关系。

纯粹的OOP是不存在的，必须结合其他范式而存在。OOP虽然是从命令式发展而来，但这只是历史事实（可能带有某种历史上的必然性），但OOP的思想并不是跟命令式绑定的，也可以应用到函数式编程。

支持OOP的语言大多是命令式，但也存在函数式和逻辑式的OO语言。

OOP与三大核心编程范式正交，并且越来越广泛地向它们渗透。

面向 vs 导向

Oriented意思是“以…为方向，以…为目的”。由于着眼点和思维方式不同，不同编程范式各有侧重，一些编程范式使用oriented来表示一种倾向。

在大陆，Object-Oriented一般译作“面向对象”。这其实是有问题的。“面向”的宾语往往是已经确定的目标，“面向对象”使人误以为对象已经存在，这种译法让人莫名其妙，不知所谓。

在港台地区，Object-Oriented译作**“物件导向”**，且不说“物件”恰当与否，“导向”实际上比“面向”高很多。又如，经济学中“Market-Oriented”译作“市场导向”，而不是“面向市场”。

总之，“对象导向”更能反映这个范式本身的精髓——在设计中以对象为导向。

OOP的优点和局限性

OOP的思想无需多说。稍微有点计算机编程基础的人都不会陌生。它更接近人的思维方式，将函数按主体执行者分组，并与数据封装到一起，易于理解和使用。在传参方式上变得更加简洁。在面向对象流行之前，只有函数和参数；有了面向对象，原先作为参数的执行者在语法形式上可以放到点操作符的前面，如method(obj, arg)变为obj.method(arg).

OOP是有局限性的。当初之所以流行是有商业利益推动。OOP有一段时间极其流行，近些年稍微冷却下来，人们对OOP的看法也趋于理性。归结起来，OOP流行的原因如下：

人们误以为OOP容易学习（实际在实践中很难把握其精髓）
人们以为OOP会使代码更容易复用（这是个错觉）
OOP被一些商业公司过分宣传
OOP创造了一个新兴软件产业

关于OOP的局限性，网上有不少资料。这里仅列举两个牛人说过的话：

有时，优雅的实现只需要一个函数。不是一个方法，不是一个类，不是一个框架，只是一个函数。

John Carmack（第一人称射击游戏之父）

面向对象编程语言的问题在于，它总是附带着所有它需要的隐含环境。你想要一个香蕉，但得到的却是一个大猩猩拿着香蕉，而且还有整个丛林。

Joe Armstrong（Erlang创始人）

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