JavaScript函数式编程详解：闭包、高阶函数与纯函数


有时，优雅的实现是一个函数。不是方法。不是类。不是框架。只是函数。 
                      - John Carmack，游戏《毁灭战士》首席程序员

函数式编程基础与闭包

函数式编程的核心在于将复杂问题拆解为一系列函数的组合。这些函数通常通过链式调用、相互嵌套以及数据传递来协同工作，并被视为一等公民。如果你曾使用过jQuery或Node.js等框架，实际上你已经接触过这些技术，只是当时并未意识到其背后的函数式编程原理。

让我们从JavaScript中一个常见的困扰开始探讨。

假设我们需要处理一组值，并将它们赋值给普通对象。这些对象的内容可能多种多样，包括数据或HTML元素等。


var
  obj1 = {value: 1},
  obj2 = {value: 2},
  obj3 = {value: 3};
var values = [];
function accumulate(obj) {
 values.push(obj.value);
}
accumulate(obj1);
accumulate(obj2);
console.log(values); // Output: [obj1.value, obj2.value]

上述代码虽然可以运行，但存在不稳定性。任何外部代码都可以绕过accumulate()函数直接修改values对象。此外，如果忘记将values初始化为空数组[]，整个代码逻辑将无法正常工作。

然而，如果将变量声明限制在函数内部，就能防止外部恶意代码对其进行修改。


function accumulate2(obj) {
 var values = [];
 values.push(obj.value);
 return values;
}
console.log(accumulate2(obj1)); // Returns: [obj1.value]
console.log(accumulate2(obj2)); // Returns: [obj2.value]
console.log(accumulate2(obj3)); // Returns: [obj3.value]

这样做行不通！因为只有最后传入的那个对象的值会被返回。

我们或许可以通过在第一个函数内部嵌套另一个函数来解决这个问题。


var ValueAccumulator = function(obj) {
 var values = []
 var accumulate = function() {
  values.push(obj.value);
 };
 accumulate();
 return values;
};

但问题依然存在，而且现在我们已经无法访问accumulate函数和values变量了。

我们需要引入自调用函数的概念。

自调用函数与闭包机制

如果我们能返回一个依次返回values数组的函数表达式会怎样？在函数内部声明的变量可以被该函数内的所有代码访问，包括自调用函数本身。

通过采用自调用函数，之前提到的困扰便迎刃而解。


var ValueAccumulator = function() {
 var values = [];
 var accumulate = function(obj) {
  if (obj) {
   values.push(obj.value);
   return values;
  } else {
   return values;
  }
 };
 return accumulate;
};
//This allows us to do this:
var accumulator = ValueAccumulator();
accumulator(obj1);
accumulator(obj2);
console.log(accumulator());
// Output: [obj1.value, obj2.value]
ValueAccumulator = ->
 values = []
 (obj) ->
  values.push obj.value if obj
  values

这主要涉及作用域的问题。变量values在内部函数accumulate()中可见，即使外部代码调用该函数时也是如此。这种现象被称为闭包。

在JavaScript中，闭包意味着函数可以访问其父作用域，即使父函数已经执行完毕。

闭包是所有函数式语言共有的特征，而传统的命令式语言通常不具备这一特性。

高阶函数与一等公民

高阶函数概念

自调用函数实际上是高阶函数的一种表现形式。高阶函数是指以其他函数作为输入参数，或者返回一个函数作为输出结果的函数。

高阶函数在传统编程中并不常见。当命令式程序员使用循环来迭代数组时，函数式程序员会采用完全不同的实现方式。借助高阶函数，数组中的每个元素都可以应用到一个函数上，并返回一个新的数组。

这是函数式编程的核心思想。高阶函数具备将逻辑像对象一样传递给函数的能力。

在JavaScript中，函数被作为一等公民对待，这与Scheme、Haskell等经典函数式语言一致。这句话听起来可能有些奇怪，但其实际含义是函数被视为基本类型，就像数字和对象一样。既然数字和对象可以来回传递，那么函数自然也可以。

让我们实际看看。现在将上一节的ValueAccumulator()函数配合高阶函数使用： // 使用forEach()来遍历一个数组，并对其每个元素调用回调函数accumulator2 var accumulator2 = ValueAccumulator(); var objects = [obj1, obj2, obj3]; // 这个数组可以很大 objects.forEach(accumulator2); console.log(accumulator2());

纯函数与副作用控制

纯函数定义

纯函数的计算结果仅依赖于传入的参数。它不使用外部变量或全局状态，也不产生副作用。换句话说，它不会改变作为输入传入的变量。因此，程序中只能使用纯函数返回的值。

以数学函数为例，Math.sqrt(4)将始终返回2，不使用任何隐藏信息（如设置或状态），也不会带来任何副作用。

纯函数是对数学中“函数”概念的真实演绎，即输入与输出的关系。它们思路简单且便于重用。由于纯函数完全独立，它们更适合被反复使用。

举例说明来对比一下非纯函数和纯函数。


// 把信息打印到屏幕中央的函数
var printCenter = function(str) {
 var elem = document.createElement("div");
 elem.textContent = str;
 elem.style.position = 'absolute';
 elem.style.top = window.innerHeight / 2 + "px";
 elem.style.left = window.innerWidth / 2 + "px";
 document.body.appendChild(elem);
};
printCenter('hello world');
// 纯函数完成相同的事情
var printSomewhere = function(str, height, width) {
 var elem = document.createElement("div");
 elem.textContent = str;
 elem.style.position = 'absolute';
 elem.style.top = height;
 elem.style.left = width;
 return elem;
};
document.body.appendChild(
printSomewhere('hello world',
window.innerHeight / 2) + 10 + "px",
window.innerWidth / 2) + 10 + "px"));

非纯函数依赖window对象的状态来计算宽度和高度，而自给自足的纯函数则要求将这些值作为参数传入。实际上，它允许将信息打印到任何地方，这也让该函数具有更多用途。

非纯函数看起来是更容易的选择，因为它在自己内部实现了追加元素，而不是返回元素。返回值的纯函数printSomewhere()则会在与其他函数式编程技术配合时表现更佳。


var messages = ['Hi', 'Hello', 'Sup', 'Hey', 'Hola'];
messages.map(function(s, i) {
 return printSomewhere(s, 100 * i * 10, 100 * i * 10);
}).forEach(function(element) {
 document.body.appendChild(element);
});

当一个函数是纯的，即不依赖于状态和环境时，我们无需关心它实际何时被计算。这将在后续的惰性求值部分详细讲解。

匿名函数与Lambda演算

匿名函数概念

将函数作为一等对象的另一个好处是支持匿名函数。

顾名思义，匿名函数就是没有名字的函数。但这不仅仅是名字的问题。它允许在现场定义临时逻辑。通常这带来的好处是方便：如果一个函数只使用一次，就没有必要浪费一个变量名。

下面是一些匿名函数的例子：


// 写匿名函数的标准方式
function() {
 return "hello world"
};

// 匿名函数可以赋值给变量
var anon = function(x, y) {
 return x + y
};

// 匿名函数用于代替具名回调函数，这是匿名函数的一个更常见的用处
setInterval(function() {
 console.log(new Date().getTime())
}, 1000);
// Output: 1413249010672, 1413249010673, 1413249010674, ...

// 如果没有把它包含在一个匿名函数中，他将立刻被执行，
// 并且返回一个undefined作为回调函数：
setInterval(console.log(new Date().getTime()), 1000)
// Output: 1413249010671

下面是匿名函数和高阶函数配合使用的例子


function powersOf(x) {
 return function(y) {
  // this is an anonymous function!
  return Math.pow(x, y);
 };
}
powerOfTwo = powersOf(2);
console.log(powerOfTwo(1)); // 2
console.log(powerOfTwo(2)); // 4
console.log(powerOfTwo(3)); // 8
powerOfThree = powersOf(3);
console.log(powerOfThree(3)); // 9
console.log(powerOfThree(10)); // 59049

这里返回的那个函数不需要命名，它可以在powersOf()函数外的任何地方使用，这就是匿名函数的特点。

还记得累加器的那个函数吗？它可以用匿名函数重写


var
 obj1 = { value: 1 },
 obj2 = { value: 2 },
 obj3 = { value: 3 };
 
var values = (function() {
 // 匿名函数
 var values = [];
 return function(obj) {
  // 有一个匿名函数！
  if (obj) {
   values.push(obj.value);
   return values;
  } else {
   return values;
  }
 }
})(); // 让它自执行
console.log(values(obj1)); // Returns: [obj.value]
console.log(values(obj2)); // Returns: [obj.value, obj2.value]
obj1 = { value: 1 }
obj2 = { value: 2 }
obj3 = { value: 3 }

values = do ->
 valueList = []
 (obj) ->
  valueList.push obj.value if obj
  valueList
console.log(values(obj1)); # Returns: [obj.value]
console.log(values(obj2)); # Returns: [obj.value, obj2.value]

真棒！一个高阶匿名纯函数。我们怎么这么幸运？实际上还不止这些，这里面还有个自执行的结构，(function(){...})();。函数后面跟的那个括号可以让函数立即执行。在上面的例子里，给外面values赋的值是函数执行的结果。

匿名函数不仅仅是语法糖，它们是lambda演算的化身。请听我说下去…… lambda演算早在计算机和计算机语言被发明的很久以前就出现了。它只是个研究函数的数学概念。非同寻常的是，尽管它只定义了三种表达式：变量引用，函数调用和匿名函数，但它被发现是图灵完整的。如今，lambda演算处于所有函数式语言的核心，包括javascript。由于这个原因，匿名函数往往被称作lambda表达式。

匿名函数也有一个缺点，那就是它们在调用栈中难以被识别，这会对调试造成一些困难。要小心使用匿名函数。

方法链与递归技术

方法链技术

在JavaScript中，把方法链在一起很常见。如果你使用过jQuery，你应该用过这种技巧。它有时也被叫做“建造者模式”。

这种技术用于简化多个函数依次应用于一个对象的代码。


// 每个函数占用一行来调用，不如……
arr = [1, 2, 3, 4];
arr1 = arr.reverse();
arr2 = arr1.concat([5, 6]);
arr3 = arr2.map(Math.sqrt);

// ……把它们串到一起放在一行里面
console.log([1, 2, 3, 4].reverse().concat([5, 6]).map(Math.sqrt));
// 括号也许可以说明是怎么回事
console.log(((([1, 2, 3, 4]).reverse()).concat([5, 6])).map(Math.sqrt));

这只有在函数是目标对象所拥有的方法时才有效。如果你要创建自己的函数，比如要把两个数组zip到一起，你必须把它声明为Array.prototype对象的成员.看一下下面的代码片段： Array.prototype.zip = function(arr2) { // ... }

这样我们就可以写成下面的样子 arr.zip([11,12,13,14).map(function(n){return n*2}); // Output: 2, 22, 4, 24, 6, 26, 8, 28

递归原理

递归应该是最著名的函数式编程技术。就是一个函数调用它自己。

当函数调用自己，有时奇怪的事情就发生了。它的表现即是一个循环，多次执行同样的代码，也是一个函数栈。

使用递归函数时必须十分小心地避免无限循环（这里应该说是无限递归）。就像循环一样，必须有个停止条件。这叫做基准情形（base case）。

下面有个例子


var foo = function(n) {
 if (n < 0) {
  // 基准情形
  return 'hello';
 } else {
  // 递归情形
  return foo(n - 1);
 }
}
console.log(foo(5));

译注：原文中的代码有误，递归情形的函数调用缺少return，导致函数执行得最后没有结果。这里已经纠正。

递归和循环可以相互转换。但是递归算法往往更合适，甚至是必要的，因为有些情形用循环很费劲。

一个明显的例子就是遍历树。


var getLeafs = function(node) {
 if (node.childNodes.length == 0) {
  // base case
  return node.innerText;
 } else {
  // recursive case:
  return node.childNodes.map(getLeafs);
 }
}

分而治之与惰性求值

分而治之策略

递归不只是代替for和while循环的有趣方式。有个叫分而治之的算法，它递归地把问题拆分成更小的情形，直到小到可以解决。

历史上有个欧几里得算法用于找出两个数的最大公分母


function gcd(a, b) {
 if (b == 0) {
  // 基准情形 (治)
  return a;
 } else {
  // 递归情形 (分)
  return gcd(b, a % b);
 }
}

console.log(gcd(12,8));
console.log(gcd(100,20));

gcb = (a, b) -> if b is 0 then a else gcb(b, a % b)

理论上来说，分而治之很牛逼，但是现实中有用吗？当然！用Javascript的函数对数组排序不是很好，它不但替换了原数组，也就是说数据不是不变的，并且它还不够可靠、灵活。通过分而治之，我们可以做得更好。

全部的实现代码大概要40行，这里只展示伪代码：


var mergeSort = function(arr) {
 if (arr.length < 2) {
  // 基准情形: 只有0或1个元素的数组是不用排序的
  return items;
 } else {
  // 递归情形: 把数组拆分、排序、合并
  var middle = Math.floor(arr.length / 2);
  // 分
  var left = mergeSort(arr.slice(0, middle));
  var right = mergeSort(arr.slice(middle));
  // 治
  // merge是一个辅助函数，返回一个新数组，它将两个数组合并到一起
  return merge(left, right);
 }
}

译注：关于用分而治之的思路进行排序的一个更好的例子是快排，使用Javascript也只有13行代码。具体请参考我以前的博文《优雅的函数式编程语言》

惰性求值机制

惰性求值，也叫做非严格求值，它会按需调用并推迟执行，它是一种直到需要时才计算函数结果的求值策略，这对函数式编程特别有用。比如有行代码是 x = func()，调用这个func()函数得到的返回值会赋值给x。但是x等于什么一开始并不重要，直到需要用到x的时候。等到需要用x的时候才调用func()就是惰性求值。

这一策略可以让性能明显增强，特别是当使用方法链和数组这些函数式程序员最喜爱的程序流技术的时候。惰性求值让人兴奋的一个优点是让无限序列成为可能。因为在它实在无法继续延迟之前，什么都不需要被真正计算出来。它可以是这个样子：


// 理想化的JavaScript伪代码:
var infinateNums = range(1 to infinity);
var tenPrimes = infinateNums.getPrimeNumbers().first(10);

这为很多可能性敞开了大门，比如异步执行、并行计算、组合，这只列举了一点。

然而，还有个问题，Javascript本身并不支持惰性求值，也就是说存在让Javascript模拟惰性求值的函数库，这是第三章的主题。

深入理解JavaScript函数式编程核心概念