F 中的函数编程概念简介#

2025-06-19

函数编程是一种编程样式，强调函数的使用和不可变数据。类型化函数编程是在函数编程与静态类型（如 F#）结合使用时。一般情况下，函数编程中强调以下概念：

函数作为你使用的主构造
表达式而不是语句
变量的不可变值
声明性编程优于命令式编程

在本系列中，你将使用 F# 探索函数编程的概念和模式。在此过程中，你也将了解一些 F#。

术语

函数编程与其他编程范例一样，附带了一个词汇，你最终需要学习。下面是一些常用术语，你会经常看到：

函数 - 函数 是一个构造，将在给定输入时生成输出。更正式地说，它将项从一组 映射到 另一组。这种形式主义在许多方面被具体化，尤其是在使用对数据集操作的函数时。它是函数编程中最基本的（和重要的）概念。
表达式 - 表达式是代码中生成值的构造。在 F# 中，此值必须绑定或显式忽略。可以通过函数调用来简单替换表达式。
纯洁 - 纯洁 是函数的一个属性，因此其返回值对于同一参数始终相同，并且其计算没有副作用。纯函数完全取决于其参数。
引用透明度 - 引用透明度是表达式的属性，因此可以将其替换为其输出，而不会影响程序的行为。
不可变性 - 不可变性意味着无法就地更改值。这与变量不同，后者可以就地更改。

例子

以下示例演示了这些核心概念。

功能

函数编程中最常见的基本构造是函数。下面是将 1 添加到整数的简单函数：

let addOne x = x + 1

其类型签名如下所示：

val addOne: x:int -> int

签名可以读作“addOne 接受名为int的x，并生成一个int”。更正式地说，addOne 是将一个值从整数集映射到整数集。令牌 -> 表示此映射。在 F# 中，通常可以查看函数签名来了解其用途。

那么，为什么签名很重要？在类型化函数编程中，函数的实现通常不如实际类型签名重要！ addOne向整数添加值 1 在运行时很有趣，但在构造程序时，它接受并返回int是决定你实际如何使用此函数的关键。此外，一旦你正确使用此函数（根据其类型签名），任何问题的诊断只能在 addOne 函数的主体内进行。这是类型化函数编程背后的动力。

表达式

表达式是计算出一个值的结构。与执行操作的语句相比，表达式可以被认为是执行一个返回值操作的表达形式。表达式几乎始终用于函数编程而不是语句。

请考虑上一个函数。 addOne addOne正文是一个表达式：

// 'x + 1' is an expression!
let addOne x = x + 1

是此表达式的结果定义了 addOne 函数的结果类型。例如，构成此函数的表达式可以更改为不同类型的，例如 string：

let addOne x = x.ToString() + "1"

函数的签名现在为：

val addOne: x:'a -> string

由于 F# 中的任何类型都可以被 ToString() 调用，x 被泛型化（称为自动通用化），因此结果类型是 string。

表达式不仅仅是函数的主体。可以使用表达式来生成在其他位置使用的值。一个常见的是 if：

// Checks if 'x' is odd by using the mod operator
let isOdd x = x % 2 <> 0

let addOneIfOdd input =
    let result =
        if isOdd input then
            input + 1
        else
            input

    result

if 表达式将生成一个名为 result 的值。请注意，可以完全省略 result 表达式，使 if 表达式成为函数的 addOneIfOdd 主体。关键要记住的是，表达式会生成一个值。

有一种特殊类型， unit在没有任何可返回内容时使用。例如，请考虑以下简单函数：

let printString (str: string) =
    printfn $"String is: {str}"

签名如下所示：

val printString: str:string -> unit

unit 类型指示没有返回实际值。这在尽管工作没有返回任何值，但通常必须“工作”的情况下非常有用。

这与命令性编程形成鲜明对比，其中等效 if 构造是一个语句，生成值通常是使用可变变量完成的。例如，在 C# 中，代码可能如下所示：

bool IsOdd(int x) => x % 2 != 0;

int AddOneIfOdd(int input)
{
    var result = input;

    if (IsOdd(input))
    {
        result = input + 1;
    }

    return result;
}

值得注意的是，C# 和其他 C 样式语言确实支持三元表达式，这允许基于表达式的条件编程。

在函数编程中，很少使用语句来改变值。尽管某些功能语言支持语句和突变，但在函数编程中使用这些概念并不常见。

纯函数

如前所述，纯函数是以下函数：

相同输入的计算结果始终为相同的值。
没有副作用。

在此上下文中考虑数学函数会很有帮助。在数学中，函数只依赖于其参数，并且没有任何副作用。在数学函数 f(x) = x + 1中，值 f(x) 仅取决于其 x值。函数编程中的纯函数是相同的。

编写纯函数时，该函数必须仅依赖于其参数，并且不执行导致副作用的任何作。

下面是非纯函数的示例，因为它依赖于全局可变状态：

let mutable value = 1

let addOneToValue x = x + value

该 addOneToValue 函数显然不纯，因为 value 可以随时更改为与 1 不同的值。在函数编程中，应避免这种依赖于全局值的模式。

下面是非纯函数的另一个示例，因为它执行副作用：

let addOneToValue x =
    printfn $"x is %d{x}"
    x + 1

尽管此函数不依赖于全局值，但它会将该值 x 写入程序的输出。虽然这样做本质上没有任何问题，但它确实意味着函数不是纯粹的。如果程序的另一部分依赖于程序外部的内容（如输出缓冲区），则调用此函数可能会影响程序的其他部分。

删除 printfn 语句会使函数纯化：

let addOneToValue x = x + 1

尽管此函数本身并不优于含有 printfn 语句的先前版本，但它确实保证该函数所做的一切都只是返回一个值。调用此函数的任何次数都会生成相同的结果：它只生成一个值。纯粹性带来的可预测性是许多函数式程序员所追求的。

不可变性

最后，类型化函数编程的最基本概念之一是不可变性。在 F# 中，默认情况下，所有值都是不可变的。这意味着，除非显式将它们标记为可变，否则无法就地转变它们。

在实践中，使用不可变值意味着将方法从“我需要更改某些内容”更改为“我需要生成新值”。

例如，将 1 添加到值意味着生成新值，而不是改变现有值：

let value = 1
let secondValue = value + 1

在 F# 中，以下代码不会改变 value 函数;而是执行相等性检查：

let value = 1
value = value + 1 // Produces a 'bool' value!

某些功能编程语言根本不支持突变。在 F# 中，它受支持，但它不是值的默认行为。

此概念进一步扩展到数据结构。在函数编程中，不可变的数据结构（如集（和更多）具有与最初预期不同的实现。从概念上讲，向集添加项之类的内容不会更改集，它会生成具有附加值的新集。在这种情况下，这通常是通过不同的数据结构来完成的，该结构允许有效地跟踪值，从而可以为数据提供适当的表示形式。

这种处理值和数据结构的方法至关重要，因为它迫使你在面对任何修改操作时，都要假设它会创建该事物的新版本。这样，平等和可比性等内容就可以在程序中保持一致。

后续步骤

下一部分将全面介绍函数，探索可在函数编程中使用的不同方式。

在 F# 中使用函数可深入探索函数，演示如何在各种上下文中使用它们。

延伸阅读

函数式思维系列是学习用 F# 进行函数式编程的另一个很好的资源。它以务实且易于阅读的方式介绍了函数编程的基础知识，使用 F# 功能来说明概念。

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