《Kotlin项目实战开发》第5章 函数与函数式编程
第5章 函数与函数式编程
凡此变数中函彼变数者,则此为彼之函数。 ( 李善兰《代数学》)
函数式编程语言最重要的基础是λ演算(lambda calculus),而且λ演算的函数可以传入函数参数,也可以返回一个函数。函数式编程 (简称FP) 是一种编程范式(programming paradigm)。
函数式编程与命令式编程最大的不同是:函数式编程的焦点在数据的映射,命令式编程(imperative programming)的焦点是解决问题的步骤。函数式编程不仅仅指的是Lisp、Haskell、 Scala等之类的语言,更重要的是一种编程思维,解决问题的思考方式,也称面向函数编程。
函数式编程的本质是函数的组合。例如,我们想要过滤出一个List中的奇数,用Kotlin代码可以这样写
package com.easy.kotlin fun main(args: Array<String>) { val list = listOf(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) println(list.filter { it % 2 == 1 }) // lambda表达式 }
这个映射的过程可以使用下面的图来形象化地说明
而同样的逻辑我们使用命令式的思维方式来写的话,代码如下
package com.easy.kotlin; import java.util.ArrayList; import java.util.Arrays; import java.util.List; import static java.lang.System.out; public class FilterOddsDemo { public static void main(String[] args) { List<Integer> list = Arrays.asList(new Integer[] {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}); out.println(filterOdds(list)); // 输出:[1, 3, 5, 7] } public static List<Integer> filterOdds(List<Integer> list) { List<Integer> result = new ArrayList(); for (Integer i : list) { if (isOdd(i)) { result.add(i); } } return result; } private static boolean isOdd(Integer i) { return i % 2 != 0; } }
我们可以看出,函数式编程是简单自然、直观易懂且美丽优雅的编程风格。函数式编程语言中通常都会提供常用的map、reduce、filter等基本函数,这些函数是对List、Map集合等基本数据结构的常用操作的高层次封装,就像一个更加智能好用的工具箱。
5.1 函数式编程简介
函数式编程是关于不变性和函数组合的编程范式。函数式编程有如下特征
- 一等函数支持(first-class function):函数也是一种数据类型,可以当做参数传入另一个函数,同时一个函数也可以返回函数。
- 纯函数(pure function)和不变性(immutable):纯函数指的是没有副作用的函数(函数不去改变外部的数据状态)。例如,一个编译器就是一个广义上的纯函数。在函数式编程中,倾向于使用纯函数编程。正因为纯函数不会去修改数据,同时又使用不可变数据,所以程序不会去修改一个已经存在的数据结构,而是根据一定的映射逻辑创建一份新的数据。函数式编程是去转换数据而非修改原始数据。
- 函数的组合(compose function):在面向对象编程中,是通过对象之间发送消息来构建程序逻辑;而在函数式编程中,是通过不同函数的组合构建程序逻辑。
5.2 声明函数
Kotlin中使用 fun 关键字来声明函数,其语法实例如下图所示
为了更加直观的感受到函数也可以当做变量来使用,我们声明一个函数类型的变量 sum 如下
>>> val sum = fun(x:Int, y:Int):Int { return x + y } >>> sum (kotlin.Int, kotlin.Int) -> kotlin.Int
我们可以看到这个函数变量 sum 的类型是
(kotlin.Int, kotlin.Int) -> kotlin.Int
这个带箭头( -> )的表达式就是一个函数类型,表示一个输入两个Int类型值,输出一个Int类型值的函数。我们可以直接使用这个函数字面值 sum
>>> sum(1,1) 2
从上面的这个典型的例子我们可以看出,Kotlin也是一门面向表达式的语言。既然 sum 是一个代表函数类型的变量,稍后我们将看到一个函数可以当做参数传入另一个函数中(高阶函数)。
当然,我们仍然可以像C/C++/Java中一样,直接带上函数名来声明一个函数
fun multiply(x: Int, y: Int): Int { return x * y } multiply(2, 2) // 4
5.3 lambda表达式
我们在本章开头部分讲到了这段代码
val list = listOf(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) list.filter { it % 2 == 1 }
这里的filter函数的入参 { it % 2 == 1 } 就是一段 lambda表达式。实际上,因为filter函数只有一个参数,所有括号被省略了。所以,filter函数调用的完整写法是
list.filter ({ it % 2 == 1 })
其中的filter函数声明如下
public inline fun <T> Iterable<T>.filter(predicate: (T) -> Boolean): List<T>
其实,filter函数的入参是一个函数 predicate: (T) -> Boolean 。 实际上,
{ it % 2 == 1 }
是一种简写的语法,完整的lambda表达式是这样写的
{ it -> it % 2 == 1 }
如果拆开来写,就更加容易理解
>>> val isOdd = { it: Int -> it % 2 == 1 } // 直接使用lambda表达式声明一个函数,这个函数判断输入的Int是不是奇数 >>> isOdd (kotlin.Int) -> kotlin.Boolean // isOdd函数的类型 >>> val list = listOf(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) >>> list.filter(isOdd) // 直接传入isOdd函数 [1, 3, 5, 7]
5.4 高阶函数
其实,在上面的代码示例 list.filter(isOdd) 中,我们已经看到了高阶函数了。现在我们再添加一层映射逻辑。我们有一个字符串列表
val strList = listOf("a", "ab", "abc", "abcd", "abcde", "abcdef", "abcdefg")
然后,我们想要过滤出字符串元素的长度是奇数的列表。我们把这个问题的解决逻辑拆成两个函数来组合实现
val f = fun (x: Int) = x % 2 == 1 // 判断输入的Int是否奇数 val g = fun (s: String) = s.length // 返回输入的字符串参数的长度
我们再使用函数 h 来封装 “字符串元素的长度是奇数” 这个逻辑,实现代码如下
val h = fun(g: (String) -> Int, f: (Int) -> Boolean): (String) -> Boolean { return { f(g(it)) } }
但是,这个 h 函数的声明未免有点太长了。尤其是3个函数类型声明的箭头表达式,显得不够简洁。不过不用担心。
Kotlin中有简单好用的 Kotlin 类型别名, 我们使用 G,F,H 来声明3个函数类型
typealias G = (String) -> Int typealias F = (Int) -> Boolean typealias H = (String) -> Boolean
那么,我们的 h 函数就可简单优雅的写成下面这样了
val h = fun(g: G, f: F): H { return { f(g(it)) } // 需要注意的是,这里的 {} 是不能省略的 }
这个 h 函数的映射关系可用下图说明
函数体中的这句代码 return { f(g(it)) } , 这里的 {} 它代表这是一个lambda表达式,返回的是一个 (String) -> Boolean 函数类型。如果没有 { } , 那么返回值就是一个布尔类型Boolean了。
通过上面的代码例子,我们可以看到,在Kotlin中,我们可以简单优雅的实现高阶函数。OK,现在逻辑已经实现完了,下面我们在 main 函数中运行测试一下效果。
fun main(args: Array<String>) { val strList = listOf("a", "ab", "abc", "abcd", "abcde", "abcdef", "abcdefg") println(strList.filter(h(g, f))) // 输出:[a, abc, abcde, abcdefg] }
当你看到 h(g, f) 这样的复合函数的代码时,你一定很开心,感到很自然,这跟数学公式真是很贴近,简单易懂。