F# 函式程式設計概念簡介

發行項
06/08/2023

函式程式設計是一種強調使用函式和不可變資料的程式設計樣式。當函式程式設計結合靜態類型 (例如 F#) 時，就會變成具類型函式程式設計。一般而言，函式程式設計強調下列概念：

函式是您使用的主要建構
運算式而非陳述式
不可變值而非變數
宣告式程式設計而非命令式程式設計

在此系列中，您將探索使用 F# 進行函式程式設計的概念和模式。在過程中，您也將了解一些 F#。

詞彙

函式程式設計與其他程式設計類型一樣，都有您終究必須了解的詞彙。以下是您不時會看到的一些常見詞彙：

函式 - 函式是一種建構，會在提供輸入時產生輸出。更形式的說，它會將項目從一個集合「對應」至另一個集合。這種形式可以透過許多方式具體化，特別是在使用與資料收集相關的作業函式時。這是函式程式設計中最基本 (且重要) 的概念。
運算式 - 運算式是程式碼中產生值的建構。在 F# 中，此值必須加以繫結或明確忽略。運算式可以輕鬆地取代為函式呼叫。
單純性 - 單純性是函式的屬性，其傳回值針對相同的引數一律相同，而且其評估沒有副作用。純函式完全相依於其引數。
參考透明度 - 參考透明度是運算式的屬性，可以取代為其輸出，而不會影響程式的行為。
不變性 - 不變性表示無法就地變更值。這與可就地變更的變數相反。

範例

下列範例將示範這些核心概念。

函式

函式程式設計中最常見的基本建構是函式。以下是將 1 加到某個整數的簡單函式：

let addOne x = x + 1

其類型簽章如下所示：

val addOne: x:int -> int

此簽章可以讀作「addOne 接受名為 x 的 int，並會產生 int」。更形式的說，addOne 會將值從一個整數集「對應」至另一個整數集。此對應會以 -> 語彙基元表示。在 F# 中，函式簽章通常一看就能了解其用途。

那麼，為什麼簽章很重要？在具類型函式程式設計中，函式的實作與實際類型簽章相比，通常較不重要！ addOne 將值 1 加到某個整數事實上在執行階段很有趣，但當您建構程式時，它會接受並傳回 int 的這點，其實才能讓您知道要如何實際使用此函式。此外，一旦正確地使用此函式 (在其類型簽章方面)，就只能在addOne 函式主體內進行任何問題診斷。這是具類型程式設計背後的動力。

運算式

運算式是評估為值的建構。相較於陳述式會執行動作，運算式會執行傳回值的動作。在函式程式設計中，幾乎一律會使用運算式，而不是陳述式。

請考慮先前的函式 addOne。 addOne 的主體是運算式：

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

此運算式的結果會定義 addOne 函式的結果類型。例如，組成此函式的運算式可以變更為不同的類型 (如 string)：

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

函式的簽章現在是：

val addOne: x:'a -> string

由於可對 F# 中的任何類型呼叫 ToString()，因此 x 的類型已變成泛型 (稱為自動一般化)，而結果類型為 string。

運算式不只是函式的主體。您也可以讓運算式產生要在其他地方使用的值。一個常見的範例是 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 運算式會產生稱為 result 的值。請注意，您可以完全省略 result，讓 if 運算式成為 addOneIfOdd 函式的主體。請記住，運算式的關鍵重點是其會產生值。

當沒有任何內容可傳回時，會使用一種特殊類型 unit。例如，請考慮下列簡單函式：

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

簽章看起來如下：

val printString: str:string -> unit

unit 類型表示不會傳回實際值。當您有一個必須「執行工作」的常式，但沒有值可傳回作為該工作的結果時，這會很有用。

這與命令式程式設計形成強烈的對比，在命令式程式設計中，對等 if 建構是陳述式，而且通常會透過變動變數來產生值。例如，在 C# 中，程式碼可能會撰寫如下：

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 樣式語言確實支援三元運算式，因此可進行以運算式為基礎的條件式程式設計。

在函式程式設計中，很少會使用陳述式來變動值。雖然某些函式語言支援陳述式和變動，但在函式程式設計中使用這些概念並不常見。

純函式

如前所述，純函式是符合下列條件的函式：

針對相同的輸入一律會評估為相同的值。
沒有副作用。

在此內容中思考數學函式會有所幫助。在數學中，函式只相依於其引數，而且沒有任何副作用。在數學函式 f(x) = x + 1 中，f(x) 的值只相依於 x 的值。函式程式設計中的純函式也是如此。

撰寫純函式時，函式必須只相依於其引數，而且不會執行任何導致副作用的動作。

以下是非純函式的範例，因為它相依於全域可變狀態：

let mutable value = 1

let addOneToValue x = x + value

addOneToValue 函式顯然不純，因為 value 可能會隨時變更為具有與 1 不同的值。在函式程式設計中，應避免使用相依於全域值的這個模式。

以下是非純函式的另一個範例，因為它會執行副作用：

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

雖然此函式不相依於全域值，但會將 x 的值寫入程式的輸出。雖然這樣做本身沒有錯，但確實表示函式為非純函式。如果程式的另一個部分相依於程式外部的某個項目 (例如輸出緩衝區)，則呼叫此函式可能會影響程式的其他部分。

移除 printfn 陳述式會讓函式變成純函式：

let addOneToValue x = x + 1

雖然此函式本身不見得比使用 printfn 陳述式的舊版「更好」，但確實保證此函式只會傳回值。無論呼叫此函式多少次，都會產生相同的結果：它只會產生值。單純性提供了許多函式程式設計人員力求的可預測性。

不變性

最後，具類型函式程式設計的最基本概念之一是不變性。在 F# 中，所有值預設都是不可變。這表示除非您明確地將其標記為可變動，否則無法就地變動。

實際上，使用不可變值表示您將程式設計的方法從「我需要變更某個項目」變更為「我需要產生新的值」。

例如，將 1 加到某個值會產生新的值，而不是變動現有的值：

let value = 1
let secondValue = value + 1

在 F# 中，下列程式碼「不會」變動 value 函式，而是會執行相等檢查：

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

某些函式程式設計語言完全不支援變動。在 F# 中，它會受到支援，但不是值的預設行為。

此概念可更進一步延伸到資料結構。在函式程式設計中，不可變資料結構 (例如集合等) 會有不同於您一開始可能預期的實作。就概念而言，將項目新增至集合之類的動作不會變更集合，而是會產生具有新增值的「新」集合。實際上，這通常是由不同的資料結構來完成，以便有效率地追蹤值，而能提供適當的資料表示作為結果。

這種使用值和資料結構的樣式很重要，因為它會強制您將任何修改某個項目的作業，當做像是建立該項目的新版本一樣。這可讓等號比較之類的項目在您的程式中保持一致。

下一步

下一節將完整說明函式，並探索您可以在函式程式設計中使用函式的不同方式。

在 F# 中使用函式會深入探索函式，並說明如何在各種內容中使用函式。

進一步閱讀

以函式思考 (英文) 系列是另一個絕佳的資源，有助於了解 F# 函式程式設計。文中以實用且容易閱讀的方式來說明函式程式設計的基本概念，並使用 F# 功能來說明這些概念。

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