譯者 | 李睿

審校 | 重樓

與以狀態更改和副作用為中心的命令式和面向對象編程相比，函數式編程范式提供了一種根本不同的方法，通過在不可變數據上組合獨立的純數學函數來構建軟件。函數式編程的概念源于Lambda演算，強調修飾性而不是突變性。

近年來，受到多核計算系統和高性能聲明性架構支持的大規模并發性需求的推動，函數式編程獲得了越來越多的主流認可。本文深入探討了開發人員對函數式思維日益增長的興趣背后的基本動機，考察了Facebook、Netflix和Airbnb等全球領先企業將函數式語言納入關鍵管道的使用原則和吸引力，以及通過不變性釋放固有并發性等好處，支持高階函數和柯里化(Currying)等數學抽象、迭代循環的遞歸、模式匹配、務實的采用權衡（例如再培訓成本和控制流轉移），以及函數式編程在復雜性使現有范例緊張的情況下仍能更廣泛滲透的原因。

• 函數式編程：函數式編程范式以建模計算為中心，作為對純數學函數的嚴格評估，沒有可變狀態或可觀察到的副作用。與命令式編程和面向對象編程不同，函數式編程將解決方案構建為確定性數據流管道，通過無狀態函數將不可變的輸入處理為新的輸出。
• 在評估過程中不會修改可變狀態，所有更改僅限于本地調用幀內的堆棧分配內存，而不是外部對象。這種獨立的確定性通過消除與副作用相關的級聯外部狀態依賴，極大地簡化了調試、優化和并行化。此外，內置的數學語言原語(例如集合、列表、元組、映射和遞歸)提供了豐富的可組合抽象，非常適合當今的數據轉換需求。
• 與語言不同的一等（First-Class）函數：在函數只作用于數據的情況下，函數編程將函數本身視為一等值，從而實現更高階的功能。函數可以作為參數傳遞給其他函數，作為函數調用的結果返回，賦值給變量，或存儲在列表和字典等數據結構中。這促進了無參（point-free）、可重用的模塊化架構。在這種架構中，通過將小型無狀態純函數綁定到聲明性管道中來構建程序，每個函數都掩蓋了潛在的復雜性。
• 遞歸迭代函數式語言：明確支持遞歸函數調用自身，而不是傳統的迭代循環結構。遞歸允許通過數學抽象優雅地表達某些算法，例如樹遍歷。尾部調用優化特性確保遞歸不會累積不斷增長的堆棧開銷。此外，與有副作用的有狀態循環相比，無狀態遞歸對不可變結構的確定性簡化了測試和可調試性。

為什么領先的企業采用函數式編程通過隔離外部狀態依賴關系的不變性簡化并發性?

函數式編程本質上支持多核基礎設施上的簡單并發性，而不會出現線程間共享可變狀態的復雜性，也不需要顯式鎖定和同步。通過設計，即使開發人員不了解低級的線程語義，不變性使邏輯在本質上可以跨內核并行化。這表現為高度并行域的協調復雜性的大幅降低。

• 增強的可靠性數學：沒有可觀察到的副作用的基礎導致完全確定的代碼執行，消除了所有類別的與狀態相關的潛在錯誤。與共享可變狀態的隔離可以通過消除對外部因素的依賴來實現詳盡的測試。這些可靠性優勢在金融、航空航天和醫療保健等風險敏感領域得到充分利用，在這些領域，缺陷率直接轉化為成本。
• 改進的模塊化嚴格性：函數內的狀態封裝通過消除組件之間的耦合來促進重用，從而允許跨不同用例的鏈接。通過支持來自無狀態組合子的可組合管道，高階功能進一步增加了收益。MapReduce范式大規模地應用了這一點。微服務架構同樣利用服務之間的不可變無狀態來實現松耦合。
• 數學上的可訪問抽象：與改變索引和計數器的有狀態命令循環相比，映射、折疊、過濾和壓縮等面向對象的數據轉換提供了集合的聲明性操作。通過遞歸調用表示算法在認知上也比充滿副作用的迭代更容易。這些將抽象推向問題空間，減少了與狀態管理相關的偶然復雜性。
• 選擇專業的函數式語言：雖然函數式編程的思想不斷滲透到主流語言中，但專門的語言通過構建其核心的函數能力而脫穎而出。其突出的例子包括：

Haskell靜態類型非嚴格純函數式語言以不變性為中心，支持惰性評估和高級類型系統，提供簡潔、高性能的抽象，并廣泛用于研究、量化金融，密碼學和分析。

Scala在Java虛擬機(JVM)上混合面向對象和函數式風格

獨特地支持可更新的變量和不可變的變量，使混合命令式和功能模型迎合實用主義和功能純度。這在數據工程和分布式系統中被廣泛采用。

1.F#

F#是一種強類型多范式.NET語言，在支持.NET運行時的同時應用函數式編程實踐。與C#的互操作性使旨在利用函數優勢的程序人員可以采用它。在科學、分析、機器學習和量子計算編程方面獲得突出地位。

2.Elm

Elm是專為前端Web開發設計的純函數式語言，專注于基于響應式瀏覽器的用戶界面的不變性。與JavaScript的互操作性使集成易于訪問，從而促進了采用。Elm演示了在數據處理后端之外的實際用戶界面（UI）編程的功能適用性。

關鍵概念和技術

不變性函數式編程的基礎是不變性：

• 沒有變量允許可變更新。結構突變克隆并返回修改后的副本，同時保持原始輸入不變以隔離副作用。這使得狀態管理方法發生了變化，但允許對跨功能的數據流進行本地推理。
• 高階函數支持函數作為一等參數和返回值，有助于實現強大的抽象例如映射、折疊、柯里化(Currying)和組合。這使得通過一系列轉換步驟將處理數據的管道鏈接在一起成為可能。Lambda抽象進一步簡化了內聯函數定義，而不需要先綁定到名稱。

像尾部調用優化這樣的核心遞歸技術確保遞歸算法不會累積不斷增長的堆棧，從而消除了傳統迭代循環結構的開銷。遞歸普遍適用于線性和非線性數據結構，例如支持聲明式遍歷分支的樹。記憶法通過保留預先計算的重疊子問題的中間結果進一步優化遞歸。

• 模式匹配提供了針對值和類型的變量的簡明條件賦值，同時解構了跨案例的復雜結構。這消除了其他語言中切換大小寫樣式條件的冗長性。不相交的窮舉模式匹配案例也通知類型系統對完整性進行推理。
• 柯里化(Currying)允許分解函數，并將多個參數放入函數鏈中，每個參數通過部分應用程序接受一個參數。這通過更小的可重用單元擴展了可組合性。嵌套和作用域控制規則決定了在柯里化邊界間流動的參數和返回類型。
• 應用和單子接口。應用程序函數和單子提供了標準的接口結構，用于將類似場景傳遞的配置和狀態封裝到純函數代碼中，以最大限度地減少冗長性。這些抽象促進了來自不同開發人員的互操作庫，從而通過共享接口構建復雜的應用程序。突出的實現抽象地管理異步場景、并發進程、錯誤處理和緩沖IO管道。
• 務實的采用權衡，在通過可組合的并發性和函數純度提高生產力的同時，還圍繞內存利用率進行權衡。因為在鏈接調用時，臨時對象被快速分配，而不是在適當的地方改變狀態。控制流也從顯式的有狀態命令式風格轉變為不可變流上的管道流。因此，采用者將函數功能逐漸構建到現有的命令式和面向對象的代碼庫中。支持混合模式的語言允許函數式和命令式技術的平衡混合，從而簡化了這種遷移路徑。最終，在采用過程中，問題分析和架構分解范式轉換帶來了比語法本身更高的成本。但是數學上的可靠性和并發性的提高已經使得函數能力滲透到不同的語言中，并成為Apache Spark、React和Tensorflow等框架的基礎，為當今的關鍵大型應用程序提供服務。

結論

函數式編程應用以組合傳遞不可變數據的純無狀態函數為中心的數學基礎，以構建具有固有并發性支持的無副作用程序。由于復雜性在多核和分布式系統的擴散中使以前的開發范式變得緊張，函數技術提供了經過驗證的、正式可驗證的關于透明性、健壯性和利用純粹原則的維度可擴展性的保證。專用的函數式語言推動了前沿領域的創新，而主流的采用逐漸建立了對限制副作用和可變性的關鍵技術的熟悉，為業務邏輯解構提供了更安全的封裝。由于不變性和基于復制的架構與分布式一致性需求很好地結合在一起，隨著復雜性使全球數據密集型和異構技術環境中的現有方法面臨問題和壓力，函數式編程仍有望成為未來具有深遠影響的編程范式，從而實現更廣泛的滲透。

原文標題：Exploring the Power of the Functional Programming Paradigm，作者：Igboanugo David Ugochukwu