函数式编程

Written by - kok-s0s

C++

函数式编程 - 通常被视为面向对象的一种反机制。

什么是函数式编程

函数式编程的基础就是数学意义上的函数，是一种编程范式，是思考软件构建的一种方式。

然而，函数式编程范式的定义通常归因于它的积极属性。与其它编程范式，尤其是面向对象相比，这些属性被认为是有利的。具体如下：

  1. 通过避免（全局）共享可变的状态消除了副作用。在纯函数式编程中，函数调用没有任何副作用。

  2. 不可变的数据和对象。在纯函数式编程中，所有数据都是不可变的，即，数据结构一旦创建，它就永远不会被改变。相反，如果我们将函数应用于数据结构，那么将创建一个新的数据结构，它要么是新数据结构，要么是旧数据结构的变体。不可变数据具有线程安全的巨大优势。

  3. 函数组合和高阶函数。在函数式编程中，可以像对待数据一样对待函数。可以将函数存储在变量中，也可以将函数作为参数传递给其它函数，还可以将函数作为其它函数的返回结果。函数可以很容易地链接。换句话说，函数就是该语言的一等公民。

  4. 更好更容易的并行化。并发性基本上很难保证。软件设计人员必须注意多线程环境中的许多事情，当只有一个线程时，通常不必担心，在多线程并发的程序中寻找错误可能会非常痛苦。但是如果函数的调用永远不会有任何副作用，如果没有全局状态，并且如果我们只处理不可变数据结构，那么使一个软件并行就容易得多。相反，使用命令式语言（如面向对象的语言）及其经常可变的状态时，需要锁和同步机制来保护数据不被多个线程同时访问和操作。

  5. 易于测试。如果纯函数具有上面提到的所有积极属性，那么它们也很容易被测试。在测试用例中没必要考虑全局可变状态或其它副作用。

什么是函数

函数式编程中的函数 == 真正的数学函数

其引用透明，即只要使用相同的输入调用函数，将始终得到相同的输出。

pure 函数和 impure 函数

对于相同的输入始终产生相同的输出（引用透明）的函数被称为纯函数。

相比之下，命令式编程范式（如，过程化或面向对象编程）不能保证无副作用。

使用相同的参数调用可以产生不同输出的函数被称为impure 函数。

现代 C++ 中的函数式编程

C++ 最开始的模板元编程（Template Metaprogramming, TMP）就有函数式编程的身影存在。

C++ 模板函数编程

模板元编程是函数式编程，且是图灵完备的。

在编译时能完成任何可能的计算。

缺点：如果使用大量的模板元编程，代码的可读性和可理解性会受到严重影响。

仿函数

在 C++ 中一只可以定义和使用所谓的像函数一样的对象，它们也被称为仿函数（Functor，另一个同义词是 Functional）。

仿函数基本上只是一个定义了括号运算符的类，即定义了 operator() 的类。实例化这些类之后，它们就可以像函数一样使用。

绑定和函数包装

std::bind

std::function

auto

用于 C++11 和 lambda 表达式的引入，这些模板已经很少被使用到了。

Lambda 表达式

闭包

在命令式编程中，习惯于当执行程序离开变量所在的作用域时，变量便不再可用。例如，如果函数已调用完成并返回结果给其调用者，该函数的所有局部变量将从调用到的堆栈中被删除，它们用到的内存也会被释放。

另一方面，在函数式编程中，可以构建一个闭包，它是一个具有持久的局部变量作用范围的函数对象。换句话说，闭包允许部分或全部局部变量的作用域与函数绑定，并且只要该函数存在，该作用域对象将一直存在。

在 C++ 中，在 lambda 表达式捕获列表的帮助下，可以创建此类闭包。闭包与 lambda 表达式不同，正如面向对象的对象（实例）与其类不同一样。

lambda 表达式的特殊之处在于它们通常是内联实现的，即在应用时实现的。这有时可以提高代码的可读性，编译器可以更有效地应用其优化策略。当然，lambda 函数也可以被视为数据，例如，储存在变量中，或作为函数参数传递给所谓的高阶函数。

lambda 表达式的基本结构如下所示：

[ capture list ]( parameter list ) -> return_type_declaration {
  lambda body
}

通用 Lambda 表达式（C++14）

从 C++14 开始，允许使用 auto 作为函数或 lambda 表达式的返回类型。即编译器被用于推断类型，这样 lambda 表达式被称为通用 lambda 表达式。

通用 lambda 表达式在与标准库算法的交互中非常有用，因为它们是普遍适用的。

高阶函数

函数式编程的核心概念就是所谓的高阶函数。它们是第一等函数的附属物。高阶函数是将一个或多个其它函数作为参数的函数，或者它们可以返回函数作为结果。

在 C++ 中，任何可调用对象，例如 std::function 包装的实例、函数指针、从 lambda 表达式创建的闭包、手动编写的仿函数以及其它任何实现了 operator() 的东西都可以作为参数传递给高阶函数。

C++17 推出 fold 表达式

整洁的函数式编程代码

无论使用何种编程风格，良好的软件设计原则仍然适用！

编写代码时，要总把维护你的代码的人当作是知道你住在哪里的暴力精神病患者。--- John F.Woods, 1991, in a post to the comp.lang.c++ newsgroup

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