第5章 函數與函數式編程

凡此變數中函彼變數者，則此為彼之函數。 ( 李善蘭《代數學》)

函數式編程語言最重要的基礎是λ演算（lambda calculus），而且λ演算的函數可以傳入函數參數，也可以返回一個函數。函數式編程 (簡稱FP) 是一種編程范式（programming paradigm）。

函數式編程與命令式編程最大的不同是：函數式編程的焦點在數據的映射，命令式編程（imperative programming）的焦點是解決問題的步驟。函數式編程不僅僅指的是Lisp、Haskell、 Scala等之類的語言，更重要的是一種編程思維，解決問題的思考方式，也稱面向函數編程。

函數式編程的本質是函數的組合。例如，我們想要過濾出一個List中的奇數，用Kotlin代碼可以這樣寫

package com.easy.kotlinfun main(args: Array<String>) {val list = listOf(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)println(list.filter { it % 2 == 1 }) // lambda表達式
}

這個映射的過程可以使用下面的圖來形象化地說明

而同樣的邏輯我們使用命令式的思維方式來寫的話，代碼如下

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)); // 輸出：[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;}
}

我們可以看出，函數式編程是簡單自然、直觀易懂且美麗優雅的編程風格。函數式編程語言中通常都會提供常用的map、reduce、filter等基本函數，這些函數是對List、Map集合等基本數據結構的常用操作的高層次封裝，就像一個更加智能好用的工具箱。

5.1 函數式編程簡介

函數式編程是關于不變性和函數組合的編程范式。函數式編程有如下特征

• 一等函數支持（first-class function）：函數也是一種數據類型，可以當做參數傳入另一個函數，同時一個函數也可以返回函數。
• 純函數（pure function）和不變性（immutable）：純函數指的是沒有副作用的函數（函數不去改變外部的數據狀態）。例如，一個編譯器就是一個廣義上的純函數。在函數式編程中，傾向于使用純函數編程。正因為純函數不會去修改數據，同時又使用不可變數據，所以程序不會去修改一個已經存在的數據結構，而是根據一定的映射邏輯創建一份新的數據。函數式編程是去轉換數據而非修改原始數據。
• 函數的組合（compose function）：在面向對象編程中，是通過對象之間發送消息來構建程序邏輯；而在函數式編程中，是通過不同函數的組合構建程序邏輯。

5.2 聲明函數

Kotlin中使用 fun 關鍵字來聲明函數，其語法實例如下圖所示

為了更加直觀的感受到函數也可以當做變量來使用，我們聲明一個函數類型的變量 sum 如下

>>> val sum = fun(x:Int, y:Int):Int { return x + y }
>>> sum
(kotlin.Int, kotlin.Int) -> kotlin.Int

我們可以看到這個函數變量 sum 的類型是

(kotlin.Int, kotlin.Int) -> kotlin.Int

這個帶箭頭（ -> ）的表達式就是一個函數類型，表示一個輸入兩個Int類型值，輸出一個Int類型值的函數。我們可以直接使用這個函數字面值 sum

>>> sum(1,1)
2

從上面的這個典型的例子我們可以看出，Kotlin也是一門面向表達式的語言。既然 sum 是一個代表函數類型的變量，稍后我們將看到一個函數可以當做參數傳入另一個函數中（高階函數）。

當然，我們仍然可以像C/C++/Java中一樣，直接帶上函數名來聲明一個函數

fun multiply(x: Int, y: Int): Int {return x * y
}multiply(2, 2) // 4

5.3 lambda表達式

我們在本章開頭部分講到了這段代碼

val list = listOf(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)
list.filter { it % 2 == 1 }

這里的filter函數的入參 { it % 2 == 1 } 就是一段 lambda表達式。實際上，因為filter函數只有一個參數，所有括號被省略了。所以，filter函數調用的完整寫法是

list.filter ({ it % 2 == 1 })

其中的filter函數聲明如下

public inline fun <T> Iterable<T>.filter(predicate: (T) -> Boolean): List<T>

其實，filter函數的入參是一個函數 predicate: (T) -> Boolean 。 實際上，

{ it % 2 == 1 } 

是一種簡寫的語法，完整的lambda表達式是這樣寫的

{  it -> it % 2 == 1 } 

如果拆開來寫，就更加容易理解

>>> val isOdd = { it: Int -> it % 2 == 1 } // 直接使用lambda表達式聲明一個函數，這個函數判斷輸入的Int是不是奇數
>>> isOdd
(kotlin.Int) -> kotlin.Boolean // isOdd函數的類型
>>> val list = listOf(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)
>>> list.filter(isOdd) // 直接傳入isOdd函數
[1, 3, 5, 7]

5.4 高階函數

其實，在上面的代碼示例 list.filter(isOdd) 中，我們已經看到了高階函數了。現在我們再添加一層映射邏輯。我們有一個字符串列表

val strList = listOf("a", "ab", "abc", "abcd", "abcde", "abcdef", "abcdefg")

然后，我們想要過濾出字符串元素的長度是奇數的列表。我們把這個問題的解決邏輯拆成兩個函數來組合實現

val f = fun (x: Int) = x % 2 == 1 // 判斷輸入的Int是否奇數
val g = fun (s: String) = s.length // 返回輸入的字符串參數的長度

我們再使用函數 h 來封裝 “字符串元素的長度是奇數” 這個邏輯，實現代碼如下

val h = fun(g:  (String) -> Int, f: (Int) -> Boolean):  (String) -> Boolean {return { f(g(it)) }
}

但是，這個 h 函數的聲明未免有點太長了。尤其是3個函數類型聲明的箭頭表達式，顯得不夠簡潔。不過不用擔心。

Kotlin中有簡單好用的 Kotlin 類型別名, 我們使用 G，F，H 來聲明3個函數類型

typealias G = (String) -> Int
typealias F = (Int) -> Boolean
typealias H = (String) -> Boolean

那么，我們的 h 函數就可簡單優雅的寫成下面這樣了

val h = fun(g: G, f: F): H {return { f(g(it)) } // 需要注意的是，這里的 {} 是不能省略的
}

這個 h 函數的映射關系可用下圖說明

函數體中的這句代碼 return { f(g(it)) } ， 這里的 {} 它代表這是一個lambda表達式，返回的是一個 (String) -> Boolean 函數類型。如果沒有 { } ， 那么返回值就是一個布爾類型Boolean了。

通過上面的代碼例子，我們可以看到，在Kotlin中，我們可以簡單優雅的實現高階函數。OK，現在邏輯已經實現完了，下面我們在 main 函數中運行測試一下效果。

fun main(args: Array<String>) {val strList = listOf("a", "ab", "abc", "abcd", "abcde", "abcdef", "abcdefg")println(strList.filter(h(g, f))) // 輸出：[a, abc, abcde, abcdefg]
}

當你看到 h(g, f) 這樣的復合函數的代碼時，你一定很開心，感到很自然，這跟數學公式真是很貼近，簡單易懂。

本章小結

在Kotlin中，支持函數作為一等公民。它支持高階函數、lambda表達式等。我們不僅可以把函數當做普通變量一樣傳遞、返回，還可以把它分配給變量、放進數據結構或者進行一般性的操作。在Kotlin中進行函數式編程相當簡單自如。