一、函數(shù)式編程的發(fā)展背景

函數(shù)式編程是近幾年非常火熱的一個(gè)詞，其實(shí)函數(shù)數(shù)編程并不是一個(gè)新東西，它是很古老的，函數(shù)式編程語言的鼻主Lisp語言的產(chǎn)生時(shí)間甚至比C語言還早。只不過在最初的發(fā)展過程中，c語言等結(jié)構(gòu)化的編程方式占據(jù)了主流，后來面向?qū)ο蟮木幊膛d起也成為了主流。而函數(shù)式編程一直長期停留在學(xué)術(shù)研究中，沒有大規(guī)模的在軟件產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用。

那現(xiàn)在函數(shù)式編程為什么又火熱起來了呢？其背后的驅(qū)動力是什么呢? 這有很多原因，想到的可能的原因有，第一，是計(jì)算機(jī)性能的提升尤其是多核技術(shù)的發(fā)展，使得原來函數(shù)式編程最大的效率問題得以解決；第二，大數(shù)據(jù)的流行也推動了函數(shù)式編程的發(fā)展，因?yàn)楹瘮?shù)式編程最擅長的就是處理數(shù)據(jù)，包括大數(shù)據(jù)中如Spark、Storm等流式大數(shù)據(jù)處理框架的流行，而這些框架都使用了支持函數(shù)式編程的語言實(shí)現(xiàn)的，如spark用的是scala語言，storm用的是clojure語言；第三，軟件在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣，也推動了技術(shù)和人的能力的提升。所有這些包括其它的一些因素，讓大家越來越認(rèn)識到函數(shù)式編程的一些固有優(yōu)勢，這形成了一個(gè)良性的循環(huán)，推動了函數(shù)式編程的應(yīng)用廣度和深度，使得函數(shù)式編程越來越成為主流的編程范式之一。甚至一些主流語言（如c++,java,python）都增加了對函數(shù)式編程的支持。

隨著大家對函數(shù)式編程范式的使用，發(fā)現(xiàn)使用函數(shù)式編程，有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1、可以以更少的代碼實(shí)現(xiàn)同樣的功能，可極大的提升生產(chǎn)效率。

2、更容易編寫多并發(fā)或多線程的應(yīng)用，更易于編寫利用多核的應(yīng)用程序。

3、可以幫助寫出健壯的代碼

4、更容易寫出易于閱讀、理解的優(yōu)雅代碼

簡單了解了函數(shù)式編程的歷史背景后。我們來看下什么是函數(shù)式編程。函數(shù)式編程它是一種編程范式，如面向過程的編程、面向?qū)ο蟮木幊潭际且环N編程范式。談函數(shù)式編程肯定離不開編程語言，那有哪些編程語言是屬于函數(shù)式編程語言呢？簡單點(diǎn)可以分為三類，第一類是純函數(shù)式編程語言,如原始的Lisp（不包括各種基于lisp的方言）、Haskell、F#等；第二類是混合型的，除了具備函數(shù)式編程的特性外，還有一些非函數(shù)式編程的特性，如scala，clojure（是基于Lisp的方言）等語言；第三類嚴(yán)格的說不能算函數(shù)式編程語言，但具備部分函數(shù)式編程語言的特性，如python , ruby, java8等。

二、函數(shù)式編程基本特征

對于函數(shù)式編程，有幾個(gè)非常重要的和基礎(chǔ)性的特征：

1. 函數(shù)是一等公民：

所謂一等公民是指函數(shù)也有數(shù)據(jù)類型，函數(shù)與其他數(shù)據(jù)類型的變量或值一樣，處于平等地位，可以賦值給其它變量，也可以作為函數(shù)參數(shù)，傳入另一個(gè)函數(shù)，或者作為別的函數(shù)的返回值。

函數(shù)是一等公民是函數(shù)式編程范式最重要的特性和基礎(chǔ)。

2. 不可變數(shù)據(jù)

所有的狀態(tài)（或變量）都是不可變的。你可以聲明一個(gè)狀態(tài)，但是不能改變這個(gè)狀態(tài)。如果要變化，只能復(fù)制一個(gè)。

純函數(shù)式編程語言不使用任何可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或變量。但在Scala等編程語言中，即支持不可變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或變量，也支持可變的。

3．強(qiáng)調(diào)函數(shù)沒有"副作用"

所謂函數(shù)沒有副作用，意味著函數(shù)要保持獨(dú)立，一旦函數(shù)的輸入確定，輸出就是確定的，函數(shù)的執(zhí)行不會影響系統(tǒng)的狀態(tài)，不會修改外部狀態(tài)。想象下，如果函數(shù)沒有副作用，那函數(shù)的執(zhí)行就可以緩存起來了，一旦函數(shù)執(zhí)行過一次，如果再次執(zhí)行，當(dāng)輸入和前面一樣的情況下，就直接可以用前面執(zhí)行的輸出結(jié)果，根本就不用再次運(yùn)算了，想象下，這個(gè)是否可大大提高程序運(yùn)行的效率。

3、一切皆是表達(dá)式

在函數(shù)式編程語言中，每一個(gè)語句都是一個(gè)表達(dá)式，都會有返回值。比如scala中的if-else控制結(jié)構(gòu)就是一個(gè)有返回值的表達(dá)式。這與命令式編程語言中的if-else語句顯著不同。這一特性有助于用不可變量編寫應(yīng)用程序。

除了這幾個(gè)核心特征外，還有很多其它特點(diǎn)，比如：

• 支持匿名函數(shù)（在java中稱為lambda表達(dá)式）

• 遞歸不再是可有可無的，而是處于一個(gè)核心的位置（循環(huán)沒了，就是靠遞歸來解決的，遞歸最大的好處就簡化代碼，它可以把一個(gè)復(fù)雜的問題用很簡單的代碼描述出來。遞歸的精髓是描述問題，而這正是函數(shù)式編程的精髓。）

• 支持惰性求值，就是在需要的時(shí)候才計(jì)算表達(dá)式

除了這些特點(diǎn)外，理解函數(shù)式編程與傳統(tǒng)編程的區(qū)別，還有一個(gè)思維上的轉(zhuǎn)變。

傳統(tǒng)的編程語言，是一種命令式語言，命令式語言是跟“狀態(tài)”打交道的，基礎(chǔ)是“語句”（執(zhí)行某種操作，如賦值語句）。命令式程序可以看成一個(gè)指令序列，通過改變狀態(tài)的值來實(shí)現(xiàn)算法。

函數(shù)式語言是跟“值”打交道的，基礎(chǔ)是“表達(dá)式”（是一個(gè)單純的運(yùn)算過程，總是有返回值），函數(shù)式程序可以看成一個(gè)由輸入到輸出的函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)又由其他函數(shù)或者自身來構(gòu)造。實(shí)現(xiàn)算法的過程就是由語言提供的原始函數(shù)逐步構(gòu)造一個(gè)符合算法要求的函數(shù)的過程。

三、scala中的函數(shù)與方法

（一）基本概念

Scala語言即支持面向函數(shù)的編程，也支持面向?qū)ο蟮木幊蹋詓cala中既有函數(shù)也有方法，大多數(shù)情況下我們都可以不去理會它們之間的區(qū)別。但是有時(shí)候我們必須要了解他們之間的不同。

從廣義上說，方法也是一種函數(shù)，只不過方法是面向?qū)ο缶幊讨械母拍睿椒ㄊ穷惖囊徊糠郑仨毻ㄟ^對象來調(diào)用。

在scala中，我們可以這么來區(qū)分方法與函數(shù)。使用關(guān)鍵字def定義的函數(shù)我們稱為方法，類似java類中的方法。而使用=>定義的函數(shù)我們稱為函數(shù)，類似java8中的Lambda表達(dá)式。在本文中我們提到的方法與函數(shù)指按照這個(gè)規(guī)則來區(qū)分的。

下面我們來看一個(gè)例子：

class A{
  def test1(a:Int)={
    println(a)
    a*2
  }
  val test2 = (a:Int)=>{
     println(a)
     a*2
  } 
}

上面代碼定義了一個(gè)類A，該類有兩個(gè)成員：

1）一是通過def關(guān)鍵字定義的方法test1，該方法有一個(gè)整型參數(shù)，返回值也是一個(gè)整數(shù)。

2）二是通過關(guān)鍵字val定義了的變量test2，這個(gè)test2變量的值是一個(gè)函數(shù)，也就是說變量test2的類型是一個(gè)函數(shù)類型。

我們只看test1方法的參數(shù)列表及后面的部分，再看test2變量的值的部分，發(fā)現(xiàn)非常類似，區(qū)別就是 = 和 =>。

下面我們看看如何使用test1方法和test2變量，在scala命令行中執(zhí)行，結(jié)果如下：

scala> val a = new A()
a: A = A@790765dc

scala> a.test1(10)
10
res16: Int = 20

scala> a.test2(10)
res17: Int = 20

可以看出，使用的方式和結(jié)果是一樣的。

scala中的函數(shù)，在scala中還有幾個(gè)叫法，如Lambda表達(dá)式、Lambda函數(shù)、函數(shù)字面值、匿名函數(shù)，看到這些叫法，都是一個(gè)意思。

（二）方法和函數(shù)的區(qū)別

1、用途上的區(qū)別

方法正如面向?qū)ο缶幊讨械母拍睿鳛轭惖某蓡T出現(xiàn)，然后通過對象來調(diào)用，如：

class Plus{
  def plus(a:Int,b:Int)= a+b
}

val obj =new Plus
obj.plus(2,3)

說明：也可以在方法的內(nèi)部通過def關(guān)鍵字定義一個(gè)內(nèi)部方法，不過這個(gè)方法只在包括它的方法內(nèi)有效。

函數(shù)最大的應(yīng)用場景是作為高階函數(shù)（可以是類的方法）的輸入或輸出。所謂高階函數(shù)，指該函數(shù)的輸入?yún)?shù)中有函數(shù)類型的參數(shù)，或者返回值類型是一個(gè)函數(shù)類型。如下面例子：

class A{
  def cal(a:Int,b:Int,f:(Int,Int)=>Int )= f(a,b)
}

val obj =new A
obj.cal(2,3,(a:Int,b:Int)=>a+b)
obj.cal(2,3,(a:Int,b:Int)=>a*b)

上面代碼中類A中的cal方法的第3個(gè)參數(shù)就是一個(gè)函數(shù)類型。在調(diào)用該方法時(shí)，可以傳入該函數(shù)類型的不同函數(shù)實(shí)現(xiàn)，如 (a:Int,b:Int)=>a+b 和 (a:Int,b:Int)=>a*b 分別是同一函數(shù)類型的兩個(gè)不同實(shí)例。

在scala中，函數(shù)是一種數(shù)據(jù)類型，其類型名的格式是：

(函數(shù)參數(shù)類型列表)=>函數(shù)返回值類型

函數(shù)可以沒有參數(shù)，但()不能省，也可以由多個(gè)參數(shù)類型，之間以逗號分隔。注意，參數(shù)類型列表中只有類型名，沒有參數(shù)名，不要與具體的函數(shù)定義混淆了。

即： (Int,Int)=>Int 是一個(gè)函數(shù)類型； (a:Int,b:Int)=>a+b是該類型的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)具體的函數(shù)。

我們再看一個(gè)返回函數(shù)類型的例子：

class A{
  def cal():(Int,Int)=>Int = (a:Int,b:Int)=>a+b
}

val obj =new A
val f = obj.cal()
f(2,3)

上面代碼定義的cal方法返回的是一個(gè)函數(shù)類型，類型為(Int,Int)=>Int 。調(diào)用該方法得到的是一個(gè)(Int,Int)=>Int 類型的一個(gè)實(shí)例。

總結(jié)下，方法通常是作為類用來實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)、完成其某個(gè)功能的一段邏輯代碼。而函數(shù)則是用于完成特定的計(jì)算邏輯。

2、函數(shù)是一個(gè)值

在Scala中函數(shù)是一個(gè)值（即某個(gè)函數(shù)類型的一個(gè)值），但方法不是值。所以一個(gè)方法不能賦值給一個(gè)變量，而函數(shù)可以。函數(shù)即可以賦值給一個(gè)變量，也可以作為高階函數(shù)的輸入或輸出，但方法不可以。下面我們看一個(gè)例子：

scala> class A{
     |   val test1 = (a:Int,b:Int)=>a+b
     |   def test2(a:Int,b:Int)=a+b
     | }
defined class A

scala> val a = new A()
a: A = A@3566bf22

scala> val f1 = a.test1
f1: (Int, Int) => Int = A$$Lambda$1238/4211087@e99145d

scala> val f2 = a.test2
<console>:12: error: missing argument list for method test2 in class A
Unapplied methods are only converted to functions when a function type is expect
You can make this conversion explicit by writing `test2 _` or `test2(_,_)` inste
       val f2 = a.test2
                  ^

從上面代碼的運(yùn)行可以看出，將test1函數(shù)賦值給一個(gè)變量是可以的，但將test2函數(shù)賦值給變量是會報(bào)錯(cuò)的。

我們在看一個(gè)例子：

class Person{
  def cal()={
    12
  }
  val re = cal  //這里不是方法賦值，而是方法調(diào)用
  println(re)
}

上面代碼中的val re = cal 不是將方法cal賦值給變量re，而是調(diào)用方法cal，將方法的執(zhí)行返回值返回給變量re。這是因?yàn)榉椒]有參數(shù)時(shí)，調(diào)用時(shí)可以省去()。

四、scala函數(shù)的其它特性

下面介紹scala函數(shù)的其它特性。

（一）高階函數(shù)

所謂高階函數(shù)（或方法），指該函數(shù)的輸入?yún)?shù)中有函數(shù)類型的參數(shù)，或者返回值類型是一個(gè)函數(shù)類型。

上面已經(jīng)有例子介紹，這里不再介紹。

（二）閉包

所謂閉包，是指一個(gè)函數(shù)可以使用包含它的上下文中（如方法）的數(shù)據(jù)。我們先看一個(gè)例子：

class Demo{
  def fun(num:Int) ={
    (x:Int)=>x*num
  }
}

object Hello {
  def main(args: Array[String]){
    val demo = new Demo
    val f = demo.fun(10)
    println(f(2))
  }
}

上面代碼中，Demo類中的fun方法返回了一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)使用了fun方法的參數(shù)num（是一個(gè)局部變量）。

scala中的函數(shù)，還有柯里化、部分應(yīng)用函數(shù)、偏函數(shù)等函數(shù)式編程中的一些概念，在本文中不再介紹。

五、集合數(shù)據(jù)操作

函數(shù)式編程中最大的應(yīng)用場景是對集合數(shù)據(jù)的操作，大數(shù)據(jù)的處理核心也是對數(shù)據(jù)集合的處理，只不過是數(shù)據(jù)量非常大的集合。

scala通過高階函數(shù)提供了豐富的集合數(shù)據(jù)相關(guān)操作。我們下面通過例子來說明。

先看如何對一個(gè)List集合做過濾的操作，代碼如下：

object Hello {
  def main(args: Array[String]){
    var list = List(1,2,3,4,5)
    var newlist  = list.filter((item)=>item%2==0)
    println(newlist)
  }
}

scala集合類List的filter方法是一個(gè)高階函數(shù)，其參數(shù)類型為(T)=>Boolean ，即參數(shù)是一個(gè)泛型函數(shù)，該函數(shù)輸入?yún)?shù)類型是List中的元素類型，輸出值是一個(gè)布爾值。filter方法的功能是對每個(gè)元素都調(diào)用下其參數(shù)函數(shù)，所有返回這為true的元素都會被保留，最后返回被保留的元素的一個(gè)新的List列表。

我們再看一個(gè)map操作，map操作的功能是一個(gè)集合映射成另一個(gè)新的集合，原集合的每個(gè)元素通過函數(shù)運(yùn)算得到一個(gè)新的值。如下面例子：

object Hello {
  def main(args: Array[String]){
    var list = List("hello","good","tom")
    var newlist  = list.map((item)=>item.length)
    println(newlist)
  }
}

運(yùn)行上面代碼，輸出List(5, 4, 3) ，這是因?yàn)閙ap方法也是一個(gè)高階函數(shù)，每個(gè)元素通過其函數(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換成了一個(gè)新的元素，所有轉(zhuǎn)換的元素形成一個(gè)新的列表被返回。

scala的集合類型有多種豐富的高階方法，可以完成各種數(shù)據(jù)計(jì)算，我們這里只是舉例兩個(gè)很簡單的例子，來感受下函數(shù)式編程在集合數(shù)據(jù)處理中的強(qiáng)大作用。

六、小結(jié)

scala的函數(shù)式編程涉及的知識很多，本文只是介紹了最基礎(chǔ)的部分。