C++的函数式革命

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C++就像是巨型油轮，转变航向非常耗时。但是随着多核时代的到来，想继续维持地位，C++不仅仅需要并发性（花了6年时间在C++11标准里加入这一点），它更需编程范式的大转变。

为什么要新的编程范式？在面向对象的基础上做点修改不行吗？要说这个不得不谈一谈编程的本质：可组合性(composability)。作为人类，我们解决复杂问题的办法是把它分解为更小的子问题。这是一个递归式的过程，问题不断分解，直到子问题可以直接转变为代码，最后再组合。可组合性的关键就在于每一层次都要隐藏复杂性。这也是面向对象编程成功的秘诀。对象内部复杂，但接口简单。你通过接口来组装部件，解决复杂问题。

但是对于并发性这个问题，对象隐藏了错误的细节。它们隐藏了共享（sharing）和变化（mutation）。数据竞争的定义是这样：2个或更多线程同时访问同一段内存，至少1个写入。换句话说，共享+变化=数据竞争。对象的接口不会告诉你对象内部可能发生了共享和变化。每个对象自身内部可能不存在数据竞争，但是它们的组合将不可避免的产生竞争。而如果不仔细分析每一次内存访问，你是发现不了问题的。

Java尝试用互斥锁（mutex）来缓解这个问题：每个对象都可以声明synchronized方法来调用这个锁。这不是一个可伸缩（scalable）的解决方案，它产生了不能忽略的性能开销，所以程序员要对各种对象的内部细节了如指掌才能应用自如，而这恰恰是面向对象编程范式竭力避免的。

更重要的是，锁机制（locking）本身是不可以组合的。一个经典例子是银行账户的存方法和取方法，这两个方法通过一个锁来同步。如果你试着把一个账户的钱转到另外一个账户，问题出现了：如果不把锁暴露出来，“钱已经从A帐号扣除，但还未存入B帐号”这个临时状态就无法避免。而如果锁暴露在外，转账过程中两把锁被同一资源占用，就可以能发生死锁。[软件事务性内存（Software Transactional Memory）对此提供了一个可组合（composable）的解决方案，但是除了Haskell和Clojure，其他语言没有实现能力。]

总之，如果我们想利用多核来提升性能，锁机制绝对不是好办法。我们要新方法。既然并发性的核心问题是共享和改变的冲突，解决办法就是对它们进行控制。只要没共享，我们就能对关键内容进行修改。比如修改局部变量；或者通过深拷贝（deep copies）确定资源独占性，使用Move语义（move semantics），或者使用unique_ptr。资源独占在消息传递中扮演重要角色，可在线程间轻松传递大量数据。

多核编程的真正关键在于控制改变（mutation）。这就是函数式编程在并发和并行领域稳步上升的秘密。一句话，函数式程序员找到了一种用看起来像是不可变数据（immutable data）来编程的方法。命令式程序员（imperative programmer）遇上不可变性（immutability），就如同烤肉师傅进了素食厨房，而C++标准库的几乎所有数据结构都不适合这种编程方式，标准vector尤甚。一段连续的内存非常适合随机或者连续存取，但如果内存有改变，你就不能把它共享给两个线程。你可以用锁来控制vector，但是就如之前所讲，用了锁你就别想要性能和可组合性了。

函数式数据结构的优势就在于它们表现得不可改变，所以多线程访问无需同步。改变被构建（construction）取代：你建立一个新对象，是对原对象的复制，但进行了应有的改动。显然，如果你想对vector进行如上操作，你会需要大量的拷贝。但是函数式数据结构本身就是为最大化共享而设计的，所以函数式的对象会与原始对象共享大部分数据。这种共享是透明的，因为原始对象是真正不可变的。

单链表就是这样一个绝不简单的典型数据结构。在链头插入一个元素，只需要建立一个新节点，存入数值和原链表的指针即可（原链表不可改变）。还有很多易于克隆和修改的树状结构，比如红黑树、左偏树。用函数式数据结构来实现并星算法更容易，因为程序员完全不用考虑同步问题。

函数式数据结构，又称为“持久性”（persistent）数据结构，天然具有可组合性。这是因为不可变的数据有可组合性，你可以用不变的小对象构建不变的大对象。而且用构建（construction）的方式来改变（mutate）也可以很好的组合。一个组合的持久性对象可以被克隆-改变，只记录改变的部分，其他不变的部分可以安全的共享。

并行还带来了不标准的控制流。大体上说，程序不再顺序执行。程序员需要应对控制流的反向，从一个句柄（handler）跳到另一个句柄，对共享的已改变的状态进行追踪，等等。在函数式编程中这不是什么罕见的事。函数是一等公民，他们可以用多种方式组合。一个句柄（handler）只不过是一种延续传递方式（continuation passing style）。延续（continuation）可以组合，虽然是以一种命令式程序员不熟悉的方式。函数式程序员有一个强大的组合型工具：单子（monad），与别的工具一道，它们可以使逆向的控制流线性化（linearize inverted flow of control）。一旦你弄懂了这个，你就会更加理解并发编程的库的设计。

向函数式编程范式转变是一件不可避免的事，而且越来越多的C++程序员正在意识到这一点。以前我是一个在C++讨论会上聊Haskell和monads的怪人，现在情况变了。今年的C++大会变化很大，最酷的人都在讨论函数式编程，“C++函数式数据结构”让我赢得了最具启迪奖。我认为这是C++社区已经准备好进行改变的表现。