Go 中的函数式编程

由米歇尔·穆德斯撰写✏️

为什么要用 Go 进行函数式编程？简而言之，函数式编程让你的代码更易读、更易于测试，而且由于没有状态和可变数据，复杂性更低。如果遇到 bug，只要不违反函数式编程规则，你就可以快速调试你的应用。当函数被隔离时，你不必处理影响输出的隐藏状态变化。

软件工程师兼作家Eric Elliot对函数编程做出如下定义。

函数式编程是通过组合纯函数来构建软件的过程，避免共享状态、可变数据和副作用。函数式编程是声明式而非命令式的，应用程序状态通过纯函数进行传递。与面向对象编程不同，面向对象编程中的应用程序状态通常与对象中的方法共享并共存。

我更进一步说：函数式编程，就像面向对象编程和过程式编程一样，代表着一种范式转变。它在编写代码时强制了一种独特的思维方式，并引入了一整套需要遵循的新规则。

需要理解的4个重要概念

要完全掌握函数式编程，您必须首先了解以下相关概念。

1. 纯函数和幂等性
2. 副作用
3. 函数组合
4. 共享状态和不可变数据

让我们快速回顾一下。

1. 纯函数与幂等性

如果输入相同，纯函数始终会返回相同的输出。此属性也称为幂等性。幂等性意味着函数应该始终返回相同的输出，与调用次数无关。

2.副作用

其次，纯函数不能有任何副作用。换句话说，你的函数不能与外部环境交互。

例如，函数式编程将 API 调用视为副作用。为什么？因为 API 调用被视为不受你直接控制的外部环境。API 可能存在一些不一致的情况，例如超时或失败，甚至可能返回意外值。它不符合纯函数的定义，因为我们要求每次调用 API 时都能获得一致的结果。

其他常见的副作用包括：

• 数据突变
• DOM 操作
• 请求冲突的数据，例如DateTime当前time.Now()

3. 函数组合

函数组合的基本思想很简单：将两个纯函数组合起来创建一个新函数。这意味着相同输入产生相同输出的概念在这里仍然适用。因此，从简单的纯函数开始创建更高级的功能非常重要。

4. 共享状态和不可变数据

函数式编程的目标是创建不保存状态的函数。共享状态尤其容易在纯函数中引入副作用或可变性问题，使其变得不纯。

然而，并非所有状态都是坏的。有时，为了解决某个软件问题，状态是必要的。函数式编程的目标是使状态可见且明确，以消除任何副作用。程序使用不可变数据结构，通过纯函数获取新数据。这样，就不需要可能引起副作用的可变数据了。

现在我们已经了解了基础知识，让我们定义一些在 Go 中编写函数代码时要遵循的规则。

函数式编程规则

正如我提到的，函数式编程是一种范式。因此，很难为这种编程风格定义确切的规则。而且，你并不总是能够完全遵循这些规则；有时，你确实需要依赖一个保存状态的函数。

但是，为了尽可能地遵循函数式编程范式，我建议遵循以下准则。

• 没有可变数据以避免副作用
• 无状态（或隐式状态，例如循环计数器）
• 一旦变量被赋值，就不要修改它
• 避免副作用，例如 API 调用

我们在函数式编程中经常遇到的一个好处是强大的模块化。函数式编程鼓励自下而上的编程风格，而不是自上而下的软件工程。首先，定义一些模块，将您预计未来会用到的类似纯函数组合在一起。接下来，开始编写这些小型、无状态、独立的函数来创建您的第一个模块。

我们本质上是在创建黑盒。稍后，我们将按照自下而上的方法将这些黑盒连接起来。这将帮助您构建强大的测试基础，尤其是用于验证纯函数正确性的单元测试。

一旦你对模块基础的稳固性有了信心，就该开始将这些模块整合在一起了。开发过程中的这一步还涉及编写集成测试，以确保两个组件的正确集成。

Go 中的 5 个函数式编程示例

为了更全面地了解 Go 函数式编程的工作原理，让我们来探讨五个基本示例。

1. 更新字符串

这是纯函数最简单的例子。通常，当你想更新一个字符串时，你会这样做：

名称 := “名字”
名称 := 名称 + “姓氏”

上面的代码片段不符合函数式编程的规则，因为变量在函数内部无法修改。因此，我们应该重写这段代码，让每个值都有自己的变量。

下面的代码片段更具可读性。

firstname := "first"
lastname := "last"
fullname := firstname + " " + lastname

当查看非函数式代码片段时，我们必须仔细查看程序，确定其最新状态，name从而找到变量的最终值name。这需要花费更多的时间和精力来理解函数的功能。

接下来，让我们看看如何避免更新数组。

2. 避免更新数组

如前所述，函数式编程的目标是通过纯函数，使用不可变数据导出新的不可变数据状态。这也可以应用于数组，每次更新一个数组时，我们都会创建一个新的数组。

在非函数式编程中，像这样更新数组：

名称：= [3]string{“汤姆”，“本”}

// Add Lucas to the array
names[2] = "Lucas"

让我们根据函数式编程范式来尝试一下。

names := []string{"Tom", "Ben"}
allNames := append(names, "Lucas")

该示例使用原始names切片与append()函数结合向新数组添加额外的值。

3. 避免更新地图

这是函数式编程的一个比较极端的例子。假设我们有一个 map，它的键是字符串类型，值是整数类型。这个 map 保存着我们家里还剩下的水果数量。然而，我们刚买了苹果，想把它添加到列表中。

水果：= map [string] int {“香蕉”：11}

// Buy five apples
fruits["apples"] = 5

我们可以在函数式编程范式下完成相同的功能。

fruits := map[string]int{"bananas": 11}
newFruits := map[string]int{"apples": 5}

allFruits := make(map[string]int, len(fruits) + len(newFruits))


for k, v := range fruits {
    allFruits[k] = v
}


for k, v := range newFruits {
    allFruits[k] = v
}

由于我们不想修改原始映射，代码会循环遍历两个映射，并将值添加到新映射中。这样，数据就保持不变。

然而，从代码的长度就能看出，这段代码的性能比简单的可变更新 map 差很多，因为我们循环遍历了两个 map。这正是需要牺牲代码质量来换取代码性能的关键所在。

4. 高阶函数和柯里化

大多数程序员在他们的代码中并不经常使用高阶函数，但在函数式编程中建立柯里化很有用。

假设我们有一个简单的函数，用于将两个整数相加。虽然这已经是一个纯函数了，但我们想进一步阐述这个例子，以展示如何通过柯里化创建更高级的功能。

在这种情况下，我们只能接受一个参数。接下来，该函数将另一个函数作为闭包返回。由于该函数返回一个闭包，它会记住外部作用域，其中包含初始输入参数。

func add(x int) func(y int) int {
return func(y int) int {
return x + y
}
}

现在让我们尝试一下柯里化并创建更高级的纯函数。

func main() {
// 创建更多变体
add10 := add(10)
add20 := add(20)

// Currying
fmt.Println(add10(1)) // 11
fmt.Println(add20(1)) // 21

}

这种方法在函数式编程中很常见，尽管在范式之外并不常见到它。

5.递归

递归是一种常用的软件模式，用于规避循环的使用。由于循环始终保持内部状态以了解其当前处于哪一轮，因此我们不能在函数式编程范式下使用它们。

例如，下面的代码片段尝试计算一个数字的阶乘。阶乘是一个整数与其下方所有整数的乘积。因此，4 的阶乘等于 24（= 4 * 3 * 2 * 1）。

通常，你会使用循环来实现这一点。

func factorial(fac int) int {
result := 1
for ; fac > 0; fac-- {
result *= fac
}
返回 result
}

为了在函数式编程范式中实现这一点，我们需要使用递归。换句话说，我们会一遍又一遍地调用同一个函数，直到达到阶乘的最小整数。

func calculateFactorial(fac int) int {
如果 fac == 0 {
返回 1
}
返回 fac * calculateFactorial(fac - 1)
}

结论

让我们总结一下关于函数式编程的知识：

• Golang虽然支持函数式编程，但它的设计初衷并非如此，缺少Map、Filter、Reduce等函数就证明了这一点。
• 函数式编程提高了代码的可读性，因为函数是纯粹的，因此易于理解
• 纯函数更容易测试，因为没有可以改变输出的内部状态

要了解有关纯函数的用例及其重要性的更多信息，请查看这篇有关 Redux Reducer 对纯函数的需求的FreeCodeCamp 文章。

为了更好地了解函数式、过程式和面向对象编程之间的区别，或者如果你想了解哪种范式最适合你，我建议你阅读 Lili Ouaknin Felsen 的这篇富有洞察力的 Medium 文章。

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Go 中的函数式编程一文首先出现在LogRocket 博客上。