編程語言的發(fā)展趨勢及未來方向（3）：函數(shù)式編程

　　這是Anders Hejlsberg(不用介紹這是誰了吧)在比利時TechDays 2010所做的開場演講。由于最近我在博客上關于語言的討論比較多，出于應景，也打算將Anders的演講完整地聽寫出來。在上一部分中，Anders闡述了他眼中聲明式編程的理念及DSL，并演示C#中一種內部DSL的形式：LINQ。在這一部分中，Anders談及了聲明式編程的另一個重要組成部分：函數(shù)式編程，并使用.NET平臺上的函數(shù)式編程語言F#進行了演示。

　　如果沒有特別說明，所有的文字都直接翻譯自Anders的演講，并使用我自己的口語習慣表達出來，對于Anders的口誤及反復等情況，必要時在譯文中自然也會進行忽略。為了方便理解，我也會將視頻中關鍵部分進行截圖，而某些代碼演示則會直接作為文章內容發(fā)表。

　　(聽寫開始，接上篇)

　　關于聲明式編程的還有一部分重要的內容，那便是函數(shù)式編程。函數(shù)式編程已經(jīng)有很長時間的歷史了，當年LISP便是個函數(shù)式編程語言。除了LISP以外我們還有其他許多函數(shù)式編程語言，如APL、Haskell、Scheme、ML等等。關于函數(shù)式編程在學術界已經(jīng)有過許多研究了，在大約5到10年前許多人開始吸收和整理這些研究內容，想要把它們融入更為通用的編程語言。現(xiàn)在的編程語言，如C#、Python、Ruby、Scala等等，它們都受到了函數(shù)式編程語言的影響。

　　我想在這里先花幾分鐘時間簡單介紹一下我眼中的函數(shù)式編程語言。我發(fā)現(xiàn)很多人聽說過函數(shù)式編程語言，但還不十分清楚它們和普通的命令式編程語言究竟有什么區(qū)別。如今我們在使用命令式編程語言寫程序時，我們經(jīng)常會寫這樣的語句，嗨，x等于x加一，此時我們大量依賴的是狀態(tài)，可變的狀態(tài)，或者說變量，它們的值可以隨程序運行而改變。

　　可變狀態(tài)非常強大，但隨之而來的便是叫做“副作用”的問題。在使用可變狀態(tài)時，你的程序則會包含副作用，比如你會寫一個無需參數(shù)的void方法，然后它會根據(jù)你的調用次數(shù)或是在哪個線程上進行調用對程序產(chǎn)生影響，因為void方法會改變程序內部的狀態(tài)，從而影響之后的運行效果。

　　而在函數(shù)式編程中則不會出現(xiàn)這個情況，因為所有的狀態(tài)都是不可變的。你可以聲明一個狀態(tài)，但是不能改變這個狀態(tài)。而且由于你無法改變它，所以在函數(shù)式編程中不需要變量。事實上對函數(shù)式編程的討論更像是數(shù)學、公式，而不像是程序語句。如果你把x = x + 1這句話交給一個程序員看，他會說“啊，你在增加x的值”，而如果你把它交給一個數(shù)學家看，他會說“嗯，我知道這不是true”。

　　然而，如果你給他看這條語言，他會說“啊，y等于x加一，就是把x + 1的計算結果交給y，你是為這個計算指定了一個名字”。這時候在思考時就是另一種方式了，這里y不是一個變量，它只是x + 1的名稱，它不會改變，永遠代表了x + 1。

　　所以在函數(shù)式編程語言中，當你寫了一個函數(shù)，接受一些參數(shù)，那么當你調用這個函數(shù)時，影響函數(shù)調用的只是你傳進去的參數(shù)，而你得到的也只是計算結果。在一個純函數(shù)式編程語言中，函數(shù)在計算時不會對進行一些神奇的改變，它只會使用你給它的參數(shù)，然后返回結果。在函數(shù)式編程語言中，一個void方法是沒有意義的，它唯一的作用只是讓你的CPU發(fā)熱，而不能給你任何東西，也不會有副作用。當然現(xiàn)在你可能會說，這個CPU發(fā)多少熱也是一個副作用，好吧，不過我們現(xiàn)在先不討論這個問題。

　　這里的關鍵在于，你解決問題的方法和以前大不一樣了。我這里還是用代碼來說明問題。使用函數(shù)式語言寫沒有副作用的代碼，就好比在Java或C#中使用final或是readonly的成員。

　　例如這里，我們有一個Point類，構造函數(shù)接受x和y，還有一個MoveBy方法，可以把一個點移動一些位置。 在傳統(tǒng)的命令式編程中，我們會改變Point實例的狀態(tài)，這么做在平時可能不會有什么問題。但是，如果我把一個Point對象同時交給3個API使用，然后我修改了Point，那么如何才能告訴它們狀態(tài)改變了呢?可能我們可以使用事件，blablabla，如果我們沒有事件，那么就會出現(xiàn)那些不愉快的副作用了。

　　那么使用函數(shù)式編程的形式寫代碼，你的Point類還是可以包含狀態(tài)，例如x和y，不過它們是readonly的，一旦初始化以后就不能改變了。MoveBy方法不能改變Point對象，它只能創(chuàng)建一個新的Point對象并返回出來。這就是一個創(chuàng)建新Point對象的函數(shù)，不是嗎?這樣就可以讓調用者來決定是使用新的還是舊的Point對象，但這里不會有產(chǎn)生副作用的情況出現(xiàn)。

　　在函數(shù)式編程里自然不會只有Point對象，例如我們會有集合，如Dictionary，Map，List等等，它們都是不可變的。在函數(shù)式編程中，當我們向一個List里添加元素時，我們會得到一個新的List，它包含了新增的元素，但之前的List依然存在。所以這些數(shù)據(jù)結構的實現(xiàn)方式是有根本性區(qū)別的，它們的內部結構會設法讓這類操作變的盡可能高效。

　　在函數(shù)式編程中訪問狀態(tài)是十分安全的，因為狀態(tài)不會改變，我可以把一個Point或List對象交給任意多的地方去訪問，完全不用擔心副作用。函數(shù)式編程的十分容易并行，因為我在運行時不會修改狀態(tài)，因此無論多少線程在運行時都可以觀察到正確的狀態(tài)。兩個函數(shù)完全無關，因此它們是并行還是順序地執(zhí)行便沒有什么區(qū)別了。我們還可以有延遲計算，可以進行Memorization，這些都是函數(shù)式編程中十分有趣的方面。

　　你可能會說，那么我們?yōu)槭裁床欢加眠@種方法來寫程序呢?嗯，最終，就像我之前說的那樣，我們不能只讓CPU發(fā)熱，我們必須要把計算結果表現(xiàn)出來。那么我們在屏幕上打印內容時，或者把數(shù)據(jù)寫入文件或是Socket時，其實就產(chǎn)生了副作用。因此真實世界中的函數(shù)式編程，往往都是把純粹的部分進行隔離，或是進行更細致的控制。事實上也不會有真正純粹的函數(shù)式編程語言，它們都會帶來一定的副作用或是命令式編程的能力。但是，它們默認是函數(shù)式的，例如在函數(shù)式編程語言中，所有東西默認都是不可變的，你必須做些額外的事情才能使用可變狀態(tài)或是產(chǎn)生危險的副作用。此時你的編程觀念便會有所不同了。

　　我們在自己的環(huán)境中開發(fā)出了這樣一個函數(shù)式編程語言，F(xiàn)#，已經(jīng)包含在VS 2010中了。F#誕生于微軟劍橋研究院，由Don Syme提出，他在F#上已經(jīng)工作了5到10年了。F#使用了另一個函數(shù)式編程語言OCaml的常見核心部分，因此它是一個強類型語言，并支持一些如模式匹配，類型推斷等現(xiàn)代函數(shù)式編程語言的特性。在此之上，F(xiàn)#又增加了異步工作流，度量單位等較為前沿的語言功能。

　　而F#最為重要的一點可能是，在我看來，它是第一個和工業(yè)級的框架和工具集，如.NET和Visual Studio，有深入集成的函數(shù)式編程語言。F#允許你使用整個.NET框架，它和C#也有類似的執(zhí)行期特征，例如強類型，而且都會生成高效的代碼等等。我想，現(xiàn)在應該是展示一些F#代碼的時候了。

　　首先我想先從F#中我最喜歡的特性講起，這是個F#命令行……(打開命令行窗口以及一個F#源文件)……F#包含了一個交互式的命令行，這允許你直接輸入代碼并執(zhí)行。例如輸入5……x等于5……然后x……顯示出x的值是5。然后讓sqr x等于x乘以x，于是我這里定義了一個簡單的函數(shù)，名為sqr。于是我們就可以計算sqr 5等于25，sqr 10等于100。

　　F#的使用方式十分動態(tài)，但事實上它是一個強類型的編程語言。我們再來看看這里。這里我定義了一個計算平方和的函數(shù)sumSquares，它會遍歷每個列表中每個元素，平方后再把它們相加。讓我先用命令式的方式編寫這個函數(shù)，再使用函數(shù)式的方式，這樣你可以看出其中的區(qū)別。

　　let sumSquaresI l =

　　let mutable acc = 0

　　for x in l do

　　acc <- acc + sqr x

　　acc

　　這里先是命令式的代碼，我們先創(chuàng)建一個累加器acc為0，然后遍歷列表l，把平方加到acc中，然后最后我返回acc。有幾件事情值得注意，首先為了創(chuàng)建一個可變的狀態(tài)，我必須顯式地使用mutable進行聲明，在默認情況下這是不可變的。

　　還有一點，這段代碼里我沒有提供任何的類型信息。當我把鼠標停留在方法上時，就會顯示sumSquaresI方法接受一個int序列作為參數(shù)并返回一個int。你可能會想int是哪里來的，嗯，它是由類型推斷而來的。編譯器從這里的0發(fā)現(xiàn)acc必須是一個int，于是它發(fā)現(xiàn)這里的加號表示兩個int的相加，于是sqr函數(shù)返回的是個int，再接下來blablabla……最終它發(fā)現(xiàn)這里到處都是int。

　　如果我把這里修改為浮點數(shù)0.0，鼠標再停留一下，你就會發(fā)現(xiàn)這個函數(shù)接受和返回的類型都變成float了。所以這里的類型推斷功能十分強大，也十分方便。

　　現(xiàn)在我可以選擇這個函數(shù)，讓它在命令行里執(zhí)行，然后調用sumSquaresI，提供1到100的序列，就能得到結果了。

　　let rec sumSquaresF l =

　　match l with

　　| [] -> 0

　　| h :: t -> sqr h + sumSquaresF t

　　那么現(xiàn)在我們來換一種函數(shù)式的風格。這里是另一種寫法，可以說是純函數(shù)式的實現(xiàn)方式。如果你去理解這段代碼，你會發(fā)現(xiàn)有不少數(shù)學的感覺。這里我定義了sumSqauresF函數(shù)，輸入一個l列表，然后使用下面的模式去匹配l。如果它為空，則結果為0，否則把列表匹配為頭部和尾部，然后便將頭部的平方和尾部的平方和相加。

　　你會發(fā)現(xiàn)，在計算時我不會去改變任何一個變量的值，我只是創(chuàng)建新的值。我這里會使用遞歸，就像在數(shù)學里我們經(jīng)常使用遞歸，把一個公式分解成幾個變化的形式，以此進行遞歸的定義。在編程時我們也使用遞歸的做法，然后編譯器會設法幫我們轉化成尾遞歸或是循環(huán)等等。

　　于是我們便可以執(zhí)行sumSquaresF函數(shù)，也可以得到相同的結果。當然實際上可能你并不會像之前這樣寫代碼，你可能會使用高階函數(shù)：

　　let sumSquares l = Seq.sum (Seq.map (fun x -> x * x) l )

　　例如這里，我只是把函數(shù)x乘以x映射到列表上，然后相加。這樣也可以得到相同的結果，而且這可能是更典型的做法。我這里只是想說明，這個語言在編程時可能會給你帶來完全不同的感受，雖然它的執(zhí)行期特征和C#比較接近。

　　這便是關于F#的內容。

　　(未完待續(xù))