函数式编程-大前端

一、认识函数式编程

为什么要学习函数式编程

函数式编程是非常古老的一个概念，早于第一台计算机的诞生，函数式编程的历史。那我们为什么现在还要学函数式编程？

• 函数式编程是随着 React 的流行受到越来越多的关注
• Vue 3也开始拥抱函数式编程
• 函数式编程可以抛弃 this
• 打包过程中可以更好的利用 tree shaking 过滤无用代码
• 方便测试、方便并行处理
• 有很多库可以帮助我们进行函数式开发：lodash、underscore、ramda

什么是函数式编程

举例

// 1.面向过程（关注点：step1、step2、...、stepN）
let num1 = 2
let num2 = 3 
let sum = num1 + num2 
console.log(sum) 
// 2.函数式编程(关注点：输入input、输出output、映射关系f)
function add (n1, n2) { 
   return n1 + n2 
 }
 let sum = add(2, 3) 
 console.log(sum)
 // 3.面向对象(关注点：对象object、属性Attribute、行为behavior)
class Math {
	add (n1, n2) {
		return n1 + n2
	}
}
let math = new Math()
let sum = math.add(2, 3)
console.log(sum)

函数式编程(Functional Programming, FP)，FP 是编程范式之一，我们常听说的编程范式还有面向过程编程、面向对象编程。

• 面向对象编程的思维方式：把现实世界中的事物抽象成程序世界中的类和对象，通过封装、继承和多态来演示事物事件的联系
• 函数式编程的思维方式：把现实世界的事物和事物之间的联系抽象到程序世界（对运算过程进行抽象）
  • 程序的本质：根据输入通过某种运算获得相应的输出，程序开发过程中会涉及很多有输入和输出的函数
  • x -> f(联系、映射) -> y，y=f(x)
  • 函数式编程中的函数指的不是程序中的函数(方法)，而是数学中 的函数即映射关系，例如：y = sin(x)，x和y的关系
  • 相同的输入始终要得到相同的输出(纯函数)
  • 函数式编程用来描述数据(函数)之间的映射

二、函数相关复习

函数是一等公民

• 函数可以存储在变量中
• 函数作为参数
• 函数作为返回值

// 把函数赋值给变量 
let fn = function () { 
   console.log('Hello First-class Function') 
   }
fn()
// 把函数作为参数
function forEach (array, fn) { 
  for (let i = 0; i < array.length; i++) { 
    fn(array[i]) 
    } 
  }
// 把函数作为返回值
function makeFn () { 
   let msg = 'Hello function' 
   return function () { 
     console.log(msg) 
    }
  }
  const fn = makeFn()
   fn()

//手写 once函数

function once(fn) {
	let done = false;
	return function() {
		if (!done) {
			done = true
			return fn.apply(this, arguments)
		}
	}
}

let pay = once(function(money) {
	console.log(`支付了：${money}元`)
})

pay(5)
pay(5)
pay(5)
pay(5)

高阶函数

什么是高阶函数

• 可以把函数作为参数传递给另一个函数
• 可以把函数作为另一个函数的返回结果

例子如上↑

使用高阶函数的意义

• 抽象可以帮我们屏蔽细节，只需要关注与我们的目标
• 高阶函数是用来抽象通用的问题

// 实现forEach方法
// 利用上面封装好的函数
// 面向过程的方式 
  let array = [1, 2, 3, 4] 
  for (let i = 0; i < array.length; i++) { 
     console.log(array[i]) 
   }
   // 高阶高阶函数 
   let array = [1, 2, 3, 4] 
   forEach(array, item => { 
     console.log(item) 
     })

 // 实现 forEach()
var arr = [1,2,3,4]
 Array.prototype.newForEach = function(fn){
      for(let i = 0; i<this.length; i ++) {
          fn(this[i])
      }
  }
  arr.newForEach((item) => {
      console.log(item)
  })
     
   
// 实现fileter()
function filter(array, fn) {
	let result = []
	for (let i = 0; i<array.length; i ++) {
      if (fn(array[i])) {
         result.push(array[i])
      }
  }
  return results
}
// 测试
let arr = [1,3,4,5,6]
filter(arr, function(item) {
  return item % 2 === 0
})
// 实现map()
const map = (array, fn) => {
	let result = []
	for (let i = 0; i<array.length; i ++) {
         result.push(fn(array[i]))
  }
  return results
}
// 测试
let arr = [1,2,3,4]
arr =map(arr, v=>v*v)
console.log(arr)

// every  检测数组元素是否都满足条件
const every = (array, fn) => {
	let result = true
	for (let value of array) {
		result = fn(value)
		if (!result) {
			break
		}
	}
	return result
}

// 测试
let arr = [9, 12, 14]
let r = every(arr, v => v >10)
console.log(r) //false

// some 检测数组元素是否有一个满足条件

const some = (array, fn) => {
	let result = false
	for (let value of array) {
		result = fn(value)
		if (result) {
			break
		}
	}
	return result
}

// 测试
let arr = [9, 12, 14]
let r = some(arr, v => v >10)
console.log(r) //true

常用的高阶函数：forEach、map、filter、every、some…

闭包

• 闭包 (Closure)：函数和其周围的状态(词法环境)的引用捆绑在一起形成闭包。
  • 可以在另一个作用域中调用一个函数的内部函数并访问到该函数的作用域中的成员
  • 闭包的本质：函数在执行的时候会放到一个执行栈上当函数执行完毕之后会从执行栈上移除，但是堆上的作用域成员因为被外部引用不能释放，因此内部函数依然可以访问外部函数的成员

闭包案例

// 生成计算数字的多少次幂的函数 
function makePower (power) { 
   return function (x) { 
     return Math.pow(x, power) 
     }
   }
 let power2 = makePower(2) 
 let power3 = makePower(3)
 console.log(power2(4)) 
 console.log(power3(4))

三、函数式编程基础

纯函数

• 纯函数：相同的输入永远会得到相同的输出，而且没有任何可观察的副作用
• 纯函数就类似数学中的函数(用来描述输入和输出之间的关系)，y = f(x)
  
• lodash 是一个纯函数的功能库，提供了对数组、数字、对象、字符串、函数等操作的一些方法
• 数组的 slice 和 splice 分别是：纯函数和不纯的函数

看代码

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
 // 纯函数 
 numbers.slice(0, 3) // => [1, 2, 3] 
 numbers.slice(0, 3) // => [1, 2, 3]
  numbers.slice(0, 3) // => [1, 2, 3] 
  // 不纯的函数 
  numbers.splice(0, 3) // => [1, 2, 3] 
  numbers.splice(0, 3) // => [4, 5] 
  numbers.splice(0, 3) // => []

• 函数式编程不会保留计算中间的结果，所以变量是不可变的（无状态的）
• 我们可以把一个函数的执行结果交给另一个函数去处理

纯函数的好处

• 可缓存

因为纯函数对相同的输入始终有相同的结果，所以可以把纯函数的结果缓存起来

const _ = require('lodash')
 function getArea (r) { 
   return Math.PI * r * r 
 }
 let getAreaWithMemory = _.memoize(getArea)
 console.log(getAreaWithMemory(4))

自己模拟一个 memoize 函数

// f 为传入的函数
function memoize (f) {
   let cache = {} 
   return function () { 
   // arguments是一个伪数组，转化为字符串 作为键
     let arg_str = JSON.stringify(arguments) 
     // 在apply方法中 伪数组会自动展开, 如果有值，就在对象中取，如果没有值，调用f函数重新计算
     cache[arg_str] = cache[arg_str] || f.apply(f, arguments) 
     return cache[arg_str]
  }
 }

• 可测试
  • 纯函数让测试更方便
• 并行处理
  • 在多线程环境下并行操作共享的内存数据很可能会出现意外情况
  • 纯函数不需要访问共享的内存数据，所以在并行环境下可以任意运行纯函数 (Web Worker)

副作用

• 纯函数：对于相同的输入永远会得到相同的输出，而且没有任何可观察的副作用

// 不纯的
 let mini = 18 
 function checkAge (age) { 
   return age >= mini 
  }
  // 纯的(有硬编码，后续可以通过柯里化解决) 
  function checkAge (age) { 
    let mini = 18
     return age >= mini 
  }

副作用让一个函数变的不纯(如上例)，纯函数的根据相同的输入返回相同的输出，如果函数依赖于外部的状态就无法保证输出相同，就会带来副作用。
副作用来源：配置文件、数据库、获取用户的输入…

所有的外部交互都有可能带来副作用，副作用也使得方法通用性下降不适合扩展和可重用性，同时副作用会给程序中带来安全隐患给程序带来不确定性，但是副作用不可能完全禁止，尽可能控制它们在可控范围内发生。

柯里化 (Haskell Brooks Curry)

## 什么是函数的柯里化？
函数的柯里化是指当一个函数有多个参数的时候先传递一部分参数调用它（这部分参数以后永远不变），然后返回一个新的函数接收剩余的参数。

它并不是一个复杂的东西，其实很好理解，直接看个示例吧：

// 普通纯函数 
function checkAge(min, age) {
  return age >= min
}
checkAge(18, 24)

// lodash.curry函数柯里化
const lodash = require('lodash');
const checkAgeMin18 = lodash.curry(checkAge, 18)
// 函数柯里化原理
function checkAge(min) {
  return function (age) {
    return age >= min
  }
}
let checkAge18 = checkAge(18)
let checkAge = min => (age => age >= min)// checkAge柯里化，ES6 写法 

由上示例我们可以这样理解，函数的柯里化其实就是利用闭包的原理对原函数进行参数提取，把一个带有多个参数的函数变成一个由参数拆分然后嵌套的嵌套函数，就像番薯（一层皮）变成了洋葱（很多层皮）。

模拟柯里化原理

// 模拟实现 lodash 中的 curry 方法

function getSum (a, b, c) {
  return a + b + c
}

const curried = curry(getSum)

console.log(curried(1, 2, 3))
console.log(curried(1)(2, 3))
console.log(curried(1, 2)(3))


function curry (func) {
  return function curriedFn(...args) {
    // 判断实参和形参的个数
    if (args.length < func.length) {
      return function () {
        return curriedFn(...args.concat(Array.from(arguments)))
      }
    }
    return func(...args)
  }
}

总结

• 柯里化可以让我们给一个函数传递较少的参数得到一个已经记住了某些固定参数的新函数
• 这是一种对函数参数的’缓存’
• 让函数变的更灵活，让函数的粒度更小
• 可以把多元函数转换成一元函数，可以组合使用函数产生强大的功能

函数组合

函数组合 (compose)：如果一个函数要经过多个函数处理才能得到最终值，这个时候可以把中间过程的函数合并成一个函数
简单说明示例如下：获取数组的最后一个元素再转换成大写字母

const arr = [1, 2, 3, 4];

function first (arr) {
	return arr[0]
}
function reverse (arr) {
	return arr.reverse()
}
function toUpper (arr) {
	return arr.toUpperCase(); 
}
// 实现需求方式1：函数不组合实现
console.log(toUpper(first(reverse(arr))))
// 实现需求方式2：函数组合实现
// 定义组合函数
function compose (f, g, h) {
	return function (arr) {
		return f(g(h(arr))
	}
}

// 从右到左运行
let last = compose(toUpper, first, reverse)
console.log(last(arr))

##模拟函数组合实现

// 模拟 lodash 中的 flowRight

const reverse = arr => arr.reverse()
const first = arr => arr[0]
const toUpper = s => s.toUpperCase()


// function compose (...args) {
//   return function (value) {
//     return args.reverse().reduce(function (acc, fn) {
//       return fn(acc)
//     }, value)
//   }
// }

const compose = (...args) => value => args.reverse().reduce((acc, fn) => fn(acc), value)

const f = compose(toUpper, first, reverse)
console.log(f(['one', 'two', 'three']))

什么时候使用函数的组合？

在我们对某一个数据进行流式处理，只需要关注总的运算结果，而不需要关注中间运算结果时，我们就可以使用函数的组合。

函数式编程库

lodash
lodash是一个一致性、模块化、高性能的 JavaScript 实用工具库。它提供了很多基本函数以及柯里化函数、组合函数等函数，熟练使用lodash库能实现和简化我们的很多日常JavaScript开发逻辑，并且让我们的JavaScript代码整体提升一个层次。
folktale
Folktale是一个JavaScript函数式编程的标准库。具体使用此处不做赘述，自行查找翻阅文档即可。

Point Free

**Point Free：**我们可以把数据处理的过程定义成与数据无关的合成运算，不需要用到代表数据的那个参数，只要把简单的运算步骤合成到一起，在使用这种模式之前我们需要定义一些辅助的基本运算函数。

• 不需要指明处理的数据
• 只需要合成运算过程
• 需要定义一些辅助的基本运算函数

// point free
// Hello     World => hello_world
const fp = require('lodash/fp')

const f = fp.flowRight(fp.replace(/\s+/g, '_'), fp.toLower)

console.log(f('Hello     World'))

四、函子

1.认识、理解函子

• 它是一个容器：包含值和值的变形关系（这个变形关系就是函数）
• 它是一个特殊的容器：它通过一个普通的对象来实现，该对象具有map方法，map方法可以运行一个函数对值进行处理。

举个例子

class Container {
  	constructor(value) {
  		this._value = value
  	}
  	map(fn) {
  		return new Container(fn(this._value))
  	}
  }
  let r = new Container(5)  // 链式调用
      .map(x => x + 1)
      .map(x => x*x)
      
      console.log(r) // Container {_value: 36}

我们始终不把值对外公布，我们想要处理值，就给map函数传一个处理值得函数
因为我们讲的是函数式编程思想，不是面向对象思想,所以我们尽量避免map里面出现new关键字，接下来这么做

class Container {
  static of (value) { // 在of方法里面new
    return new Container(value)
  }

  constructor (value) {
    this._value = value
  }

  map (fn) {
    return Container.of(fn(this._value))
  }
}

   let r = Container.of(5) //调用of方法
             .map(x => x + 2)
             .map(x => x * x)

   console.log(r)

总结

• 函数式编程的运算不直接操作值，而是由函子完成
• 函子就是一个实现了 map 契约的对象
• 我们可以把函子想象成一个盒子，这个盒子里封装了一个值
• 想要处理盒子中的值，我们需要给盒子的 map 方法传递一个处理值的函数（纯函数），由这个函数来对值进行处理
• 最终 map 方法返回一个包含新值的盒子（函子）

2.MayBe函子

• 我们在编程的过程中可能会遇到很多错误，需要对这些错误做相应的处理
• MayBe 函子的作用就是可以对外部的空值情况做处理（控制副作用在允许的范围）
  例如：

// 值如果不小心传入了空值(副作用)
 Container.of(null) 
 .map(x => x.toUpperCase()) // TypeError: Cannot read property 'toUpperCase' of null 报错

上代码

class MayBe{
	static of (value) {
		return new MayBe(value)
	}
	constructor(value){
		this._value = value
	}
	map(fn){
		// 函子管理的数据出现空值时视为异常出现，不再调用传入的变形关系对数据进行变形而是直接把空值传递下去。
		return this.isNothing() ? MayBe.of(null) : MayBe.of(fn(this._value))  // 如果是null就不会调用map里面的fn方法
	}
	isNothing () {
		return this._value === null || this._value === undefined
	}
}
// 测试
const container = MayBe.of(null)
container.map(x => null)// => null
		 .map(x => x-1)// => null

3.Either函子

let r = MayBe.of('hello world')
          .map(x => x.toUpperCase())
          .map(x => null)
          .map(x => x.split(' '))
console.log(r)
// 如果是这种情况 我们不知道是哪里出现了空值

接下来我们看Either函子

• Either 两者中的任何一个，类似于 if…else…的处理
• 异常会让函数变的不纯，Either 函子可以用来做异常处理

上代码

// Either 函子
class Left {
  static of (value) {
    return new Left(value)
  }

  constructor (value) {
    this._value = value
  }

  map (fn) {
    return this
  }
}

class Right {
  static of (value) {
    return new Right(value)
  }

  constructor (value) {
    this._value = value
  }

  map (fn) {
    return Right.of(fn(this._value))
  }
}

function parseJSON (str) {
  try {
    return Right.of(JSON.parse(str))
  } catch (e) {
    return Left.of({ error: e.message })
  }
}

// let r = parseJSON('{ name: zs }')
// console.log(r)

let r = parseJSON('{ "name": "zs" }')
          .map(x => x.name.toUpperCase())
console.log(r)

4.IO函子

• IO 函子中的 _value 是一个函数，这里是把函数作为值来处理
• IO 函子可以把不纯的动作存储到 _value 中，延迟执行这个不纯的操作(惰性执行)，包装当前的操作纯
• 把不纯的操作交给调用者来处理

// IO 函子
const fp = require('lodash/fp')

class IO {
  static of (value) {
    return new IO(function () {
      return value
    })
  }

  constructor (fn) {
    this._value = fn
  }

  map (fn) {
    return new IO(fp.flowRight(fn, this._value))
  }
}

// 调用
let r = IO.of(process).map(p => p.execPath)
// console.log(r)  // IO{ _value: [Function]  }
console.log(r._value()) // 结果是当前的路径

5.Task函子

• 异步任务的实现过于复杂，我们使用 folktale 中的 Task 来演示
• folktale 一个标准的函数式编程库,和 lodash、ramda 不同的是，他没有提供很多功能函数,只提供了一些函数式处理的操作，例如：compose、curry 等，一些函子 Task、Either、 MayBe 等
• Task 异步执行

const { task } = require('folktale/concurrency/task')
 function readFile(filename) { 
 return task(resolver => { 
 fs.readFile(filename, 'utf-8', (err, data) => {
     if (err) resolver.reject(err) 
     resolver.resolve(data) 
      }) 
    }) 
  }
  // 调用 run 执行 
  readFile('package.json')
   .map(split('\n')) 
   .map(find(x => x.includes('version'))) 
   .run()
   .listen({
    onRejected: err => {
     console.log(err )
    },
     onResolved: value => {
        console.log(value)
     } 
   })

6.Pointer函子

• Pointed 函子是实现了 of 静态方法的函子
• of 方法是为了避免使用 new 来创建对象，更深层的含义是 of 方法用来把值放到上下文Context（把值放到容器中，使用 map 来处理值）

class Container {
 static of (value) { 
      return new Container(value) 
     }
    ……
  }
 Contanier.of(2) 
   .map(x => x + 5)

6.把嵌套函子拍平 -> 单子Monad

在使用 IO 函子的时候，如果我们写出如下代码：

const fs = require('fs')
const fp = require('lodash/fp')
let readFile = function (filename) {
	return new IO(function() {
		return fs.readFileSync(filename, 'utf-8')
	})
}
let print = function(x) {
	return new IO(function() {
		console.log(x)
		return x
	})
}
let cat = fp.flowRight(print, readFile)
// IO(IO(x))
let r1 = cat('package.json')._value()._value()
console.log(data)

• Monad 函子是可以变扁的 Pointed 函子，IO(IO(x))
• 一个函子如果具有 join 和 of 两个方法并遵守一些定律就是一个 Monad

const fp = require('lodash/fp')
// IO Monad
class IO {
	static of (x) {
		return new IO(function () {
			return x
		})
	}
	constructor (fn) {
		this._value = fn
	}
	map (fn) {
		return new IO(fp.flowRight(fn, this._value))
	}
	join () {
		return this._value()
	}
	flatMap (fn) {
		return this.map(fn).join()
	}
}

let readFile = function (filename) {
	return new IO(function() {
		return fs.readFileSync(filename, 'utf-8')
	})
}
let print = function(x) {
	return new IO(function() {
		console.log(x)
		return x
	})
}

let r = readFile('package.json')
.map(fp.toUpper)
.flatMap(print)
.join()