純函數(shù)

一個(gè)函數(shù)在程序執(zhí)行的過(guò)程中除了根據(jù)輸入?yún)?shù)給出運(yùn)算結(jié)果之外沒(méi)有其他的副作用影響，我們可以把這類函數(shù)稱為“純函數(shù)”。純函數(shù)由于不依賴外部變量，使得給定函數(shù)輸入其返回結(jié)果永遠(yuǎn)不變，比如整數(shù)的加法函數(shù)，它接收兩個(gè)整數(shù)值并返回一個(gè)整數(shù)值，對(duì)于給定的兩個(gè)整數(shù)值，它的返回值永遠(yuǎn)是相同的整數(shù)值。

副作用

相對(duì)于非純函數(shù)，它們帶有副作用，這使得函數(shù)不僅簡(jiǎn)單返回一個(gè)值，還做了其他事情：

• 修改了一個(gè)變量

• 直接修改了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
• 設(shè)置了一個(gè)對(duì)象的成員
• 拋出一個(gè)異常或以一個(gè)錯(cuò)誤終止
• 打印到終端或讀取用戶的輸入
• 讀取或?qū)懭胍粋€(gè)文件
• 在屏幕上繪畫(huà)

像是執(zhí)行IO、處理錯(cuò)誤、修改數(shù)據(jù)都屬于副作用，這些副作用可能導(dǎo)致我們編寫的程序難以測(cè)試，進(jìn)而容易產(chǎn)生bug。遵循函數(shù)式編程規(guī)范可以使編程更加模塊化，由于純函數(shù)模塊化的特性，使得程序容易被測(cè)試、復(fù)用、并行化、泛化以及推導(dǎo)，這也減少了產(chǎn)生bug的可能。

純函數(shù)的使用將數(shù)據(jù)的創(chuàng)建過(guò)程和處理過(guò)程分離，通過(guò)把副作用推導(dǎo)程序的外層，來(lái)轉(zhuǎn)換任何帶有副作用的函數(shù)。對(duì)于函數(shù)式程序員而言，程序的實(shí)現(xiàn)應(yīng)該有一個(gè)純的內(nèi)核和一層很薄的外圍來(lái)處理副作用。

引用透明

引用透明（referential transparency）的概念對(duì)純函數(shù)進(jìn)行形式化，符合引用透明的表達(dá)式都可以由它的結(jié)果所取代，而不改變?cè)摮绦虻暮x。當(dāng)調(diào)用一個(gè)函數(shù)時(shí)所傳入的參數(shù)是引用透明的，冰鞋函數(shù)調(diào)用也是引用透明的，那么這個(gè)函數(shù)式一個(gè)純函數(shù)。當(dāng)傳入函數(shù)的參數(shù)也是一個(gè)純函數(shù)時(shí)，使得高階函數(shù)的組合也是引用透明的，這有利于構(gòu)建更加復(fù)雜的邏輯，而本身程序的計(jì)算結(jié)果是可以進(jìn)行推斷的，不用擔(dān)心環(huán)境對(duì)程序的影響。

對(duì)于程序p，如果它包含的表達(dá)式e滿足引用透明，所有的e都可以替換為它的運(yùn)算結(jié)果而不會(huì)改變程序p的含義。假設(shè)存在一個(gè)函數(shù)f，若變大時(shí)f(x)對(duì)所有引用透明的表達(dá)式x也是引用透明的，那么這個(gè)f是一個(gè)純函數(shù)。

替代模型

引用透明要求函數(shù)不論進(jìn)行了任何操作都可以用它的返回值來(lái)代替。這種限制使得推導(dǎo)一個(gè)程序的求值變得簡(jiǎn)單而自然，稱之為替代模型（substitution model）。如果表達(dá)式是引用透明的，可以想象計(jì)算過(guò)程就像在解代數(shù)方程。展開(kāi)表達(dá)式的每一部分，使用指示對(duì)象替代變量，然后歸約到最簡(jiǎn)單的形式。在這一過(guò)程中，每項(xiàng)都被等價(jià)值所替代，計(jì)算的過(guò)程就是一個(gè)又一個(gè)等價(jià)值所替代的過(guò)程。換句話說(shuō)，引用透明使得程序具備了等式推理的能力。

替代模型更容易推理，因?yàn)閷?duì)運(yùn)算的影響純粹是局部的（只對(duì)那些賦值表達(dá)式產(chǎn)生影響），不需要先在內(nèi)心模擬一系列狀態(tài)的更新才理解這一段代碼。只需要理解局部的推理，不必費(fèi)心地去跟蹤函數(shù)執(zhí)行前后的狀態(tài)變化，只用簡(jiǎn)單看一下函數(shù)的定義，把它替換成一個(gè)參數(shù)。

小結(jié)

這一小節(jié)，我們了解了純函數(shù)的一些基本概念和其帶來(lái)的好處。我們知道，純函數(shù)時(shí)模塊化的、可組合的，因?yàn)樗鼜摹皩?duì)結(jié)果做什么”和“如果獲取輸入”中分離了計(jì)算本身的邏輯，就像一個(gè)黑盒子。對(duì)輸入的獲取只有一種方式：通過(guò)參數(shù)傳給函數(shù)。輸出也只是簡(jiǎn)單地將計(jì)算結(jié)果返回。把這些關(guān)注點(diǎn)分離開(kāi)，計(jì)算也更容易被復(fù)用。我們可以復(fù)用這些邏輯，而不必?fù)?dān)心輸入或輸出對(duì)整個(gè)上下文引起的副作用。

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