编程语言的发展趋势及未来方向（3）

编程语言的发展趋势及未来方向（3）：函数式编程

2010-05-24 17:56:41 阅读(127) 发表评论

　　那么使用函数式编程的形式写代码，你的Point类还是可以包含状态，例如x和y，不过它们是readonly的，一旦初 始化以后就不能改变了。 MoveBy方法不能改变Point对象，它只能创建一个新的Point对象并返回出来。这就是一个创建新Point对象的函数，不是吗？这样就可以让调 用者来决定是使用新的还是旧的Point对象，但这里不会有产生副作用的情况出现。

　　在函数式编程里自然不会只有Point对象，例 如我们会有集合，如Dictionary，Map，List等等，它们都是不可变的。在函数式编程中，当我们向一个List里添加元素时，我们会得到一个 新的List，它包含了新增的元素，但之前的List依然存在。所以这些数据结构的实现方式是有根本性区别的，它们的内部结构会设法让这类操作变的尽可能 高效。

　　在函数式编程中访问状态是十分安全的，因为状态不会改变，我可以把一个Point或List对象交给任意多的地方去访问，完 全不用担心副作用。函数式编程的十分容易并行，因为我在运行时不会修改状态，因此无论多少线程在运行时都可以观察到正确的状态。两个函数完全无关，因此它 们是并行还是顺序地执行便没有什么区别了。我们还可以有延迟计算，可以进行Memorization，这些都是函数式编程中十分有趣的方面。

　 　你可能会说，那么我们为什么不都用这种方法来写程序呢？嗯，最终，就像我之前说的那样，我们不能只让CPU发热，我们必须要把计算结果表现出来。那么我 们在屏幕上打印内容时，或者把数据写入文件或是Socket时，其实就产生了副作用。因此真实世界中的函数式编程，往往都是把纯粹的部分进行隔离，或是进 行更细致的控制。事实上也不会有真正纯粹的函数式编程语言，它们都会带来一定的副作用或是命令式编程的能力。但是，它们默认是函数式的，例如在函数式编程 语言中，所有东西默认都是不可变的，你必须做些额外的事情才能使用可变状态或是产生危险的副作用。此时你的编程观念便会有所不同了。

　 　我们在自己的环境中开发出了这样一个函数式编程语言，F#，已经包含在VS 2010中了。F#诞生于微软剑桥研究院，由Don Syme提出，他在F#上已经工作了5到10年了。F#使用了另一个函数式编程语言OCaml的常见核心部分，因此它是一个强类型语言，并支持一些如模式 匹配，类型推断等现代函数式编程语言的特性。在此之上，F#又增加了异步工作流，度量单位等较为前沿的语言功能。

　　而F#最为重要的 一点可能是，在我看来，它是第一个和工业级的框架和工具集，如.NET和Visual Studio，有深入集成的函数式编程语言。F#允许你使用整个.NET框架，它和C#也有类似的执行期特征，例如强类型，而且都会生成高效的代码等等。 我想，现在应该是展示一些F#代码的时候了。

　 　首先我想先从F#中我最喜欢的特性讲起，这是个F#命令行……（打开命令行窗口以及一个F#源文件）……F#包含了一个交互式的命令行，这允许你直接输 入代码并执行。例如输入5……x等于5……然后x……显示出x的值是5。然后让sqr x等于x乘以x，于是我这里定义了一个简单的函数，名为sqr。于是我们就可以计算sqr 5等于25，sqr 10等于100。

　　 F#的使用方式十分动态，但事实上它是一个强类型的编程语言。我们再来看看这里。这里我定义了一个计算平方和的函数sumSquares，它会遍历每个列 表中每个元素，平方后再把它们相加。让我先用命令式的方式编写这个函数，再使用函数式的方式，这样你可以看出其中的区别。

let　sumSquaresI　l　=　
　　let　mutable　acc　=　0　
　　for　x　in　l　do　
　　　　acc　<-　acc　+　sqr　x　
　　acc

　　这里先是命令式的代码，我们先创建一个累加器acc为0，然后遍历列表l，把平方加到acc中，然后最后我返回acc。有几件事情值得注意，首先为了创建一个可变的状态，我必须显式地使用mutable进行声明，在默认情况下这是不可变的。

　 　还有一点，这段代码里我没有提供任何的类型信息。当我把鼠标停留在方法上时，就会显示sumSquaresI方法接受一个int序列作为参数并返回一个 int。你可能会想int是哪里来的，嗯，它是由类型推断而来的。编译器从这里的0发现acc必须是一个int，于是它发现这里的加号表示两个int 的相加，于是sqr函数返回的是个int，再接下来blablabla……最终它发现这里到处都是int。

　　如果我把这里修改为浮点数0.0，鼠标再停留一下，你就会发现这个函数接受和返回的类型都变成float了。所以这里的类型推断功能十分强大，也十分方便。

　　现在我可以选择这个函数，让它在命令行里执行，然后调用sumSquaresI，提供1到100的序列，就能得到结果了。

let　rec　sumSquaresF　l　=　
　　match　l　with　
　　|　[]　->　0　
　　|　h　::　t　->　sqr　h　+　sumSquaresF　t

　 　那么现在我们来换一种函数式的风格。这里是另一种写法，可以说是纯函数式的实现方式。如果你去理解这段代码，你会发现有不少数学的感觉。这里我定义了 sumSqauresF函数，输入一个l列表，然后使用下面的模式去匹配l。如果它为空，则结果为0，否则把列表匹配为头部和尾部，然后便将头部的平方和 尾部的平方和相加。

　　你会发现，在计算时我不会去改变任何一个变量的值，我只是创建新的值。我这里会使用递归，就像在数学里我们经常使用递归，把一个公式分解成几个变化的形式，以此进行递归的定义。在编程时我们也使用递归的做法，然后编译器会设法帮我们转化成尾递归或是循环等等。

　　于是我们便可以执行sumSquaresF函数，也可以得到相同的结果。当然实际上可能你并不会像之前这样写代码，你可能会使用高阶函数：

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

　　例如这里，我只是把函数x乘以x映射到列表上，然后相加。这样也可以得到相同的结果，而且这可能是更典型的做法。我这里只是想说明，这个语言在编程时可能会给你带来完全不同的感受，虽然它的执行期特征和C#比较接近。

　　这便是关于F#的内容。

　　文章来源：http://blog./2010/05/trends-and-future-directions-in-programming-languages-by-anders-3-functional-programming-and-fsharp.html