一等函數(shù)：Lambda函數(shù)和映射

什么是一流的功能？

您之前可能已經(jīng)聽過它說某種特定的語言是有用的，因為它具有“一流的功能”。正如我在本系列關(guān)于函數(shù)式編程的第一篇文章中所說，我不同意這種流行的看法。我同意一流函數(shù)是任何函數(shù)式語言的基本特性，但我不認(rèn)為這是語言功能的充分條件。有很多命令式語言也有此功能。但是，什么是一流的功能？當(dāng)函數(shù)可以被視為任何其他值時，函數(shù)被描述為第一類 - 也就是說，它們可以在運(yùn)行時動態(tài)分配給名稱或符號。它們可以存儲在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通過函數(shù)參數(shù)傳入，并作為函數(shù)返回值返回。

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這實際上并不是一個新穎的想法。函數(shù)指針自1972年開始就成為C的一個特性。在此之前，過程引用是Algol 68的一個特性，在1970年實現(xiàn)，當(dāng)時，它們被認(rèn)為是一個過程編程特性?；氐竭^去，Lisp（首次在1963年實現(xiàn)）建立在程序代碼和數(shù)據(jù)可互換的概念之上。

這些也不是模糊的功能。在C中，我們通常使用函數(shù)作為第一類對象。例如，排序時：

char  ** array  =  randomStrings（）;

printf（“排序前：\ n”）;

for（int  s  =  0 ; s  <  NO_OF_STRINGS ; s ++）

    printf（“％s \ n”，array [ s ]）;

qsort（array，NO_OF_STRINGS，sizeof（char  *），compare）;

printf（“排序后：\ n”）;

for（int  s  =  0 ; s  <  NO_OF_STRINGS ; s ++）

    printf（“％s \ n”，array [ s ]）;

stdlibC中的庫具有針對不同類型的排序例程的函數(shù)集合。所有的人都能夠分揀任何種類的數(shù)據(jù)的：它們從編程器需要的唯一的協(xié)助將被提供，用于比較數(shù)據(jù)集的兩個元素并返回的功能-1，1或者0，指示哪個元件比其它或更大他們是平等的。

這基本上是戰(zhàn)略模式！

我們的字符串指針數(shù)組的比較器函數(shù)可以是：

int  compare（const  void  * a，const  void  * b）

{

    char  * str_a  =  *（char  **）a ;

    char  * str_b  =  *（char  **）b ;

    return  strcmp（str_a，str_b）;

}

并且，我們將它傳遞給排序函數(shù)，如下所示：

qsort（array，NO_OF_STRINGS，sizeof（char  *），compare）;

compare函數(shù)名稱上沒有括號使編譯器發(fā)出函數(shù)指針而不是函數(shù)調(diào)用。因此，將函數(shù)視為C中的第一類對象非常容易，盡管接受函數(shù)指針的函數(shù)的簽名非常難看：

qsort（void  * base，size_t  nel，size_t  width，int（* compar）（const  void  *，const  void  *））;

函數(shù)指針不僅用于排序。早在.NET發(fā)明之前，就有用于編寫Microsoft Windows應(yīng)用程序的Win32 API。在此之前，有Win16 API。它使得函數(shù)指針的自由使用可以用作回調(diào)。當(dāng)應(yīng)用程序需要通知已發(fā)生的某些事件時，應(yīng)用程序在調(diào)用窗口管理器時由窗口管理器調(diào)用它時提供了指向其自身功能的指針。您可以將此視為應(yīng)用程序（觀察者）與其窗口（可觀察對象）之間的觀察者模式關(guān)系 - 應(yīng)用程序接收到諸如鼠標(biāo)點(diǎn)擊和其窗口上發(fā)生的鍵盤按壓等事件的通知。管理窗戶的工作 - 移動它們，將它們堆疊在一起，決定哪個應(yīng)用程序是用戶操作的接收者 - 在窗口管理器中抽象。應(yīng)用程序?qū)εc其共享環(huán)境的其他應(yīng)用程序一無所知。在面向?qū)ο蟮木幊讨?，我們通常通過抽象類和接口實現(xiàn)這種解耦，但也可以使用第一類函數(shù)來實現(xiàn)。

所以，我們一直在使用一流的功能。但是，可以公平地說，沒有任何語言能夠廣泛宣傳作為一等公民的功能而不是簡單的Javascript。

Lambda表達(dá)式

在Javascript中，將函數(shù)傳遞給用作回調(diào)的其他函數(shù)一直是標(biāo)準(zhǔn)做法，就像在Win32 API中一樣。這個想法是HTML DOM的組成部分，其中第一類函數(shù)可以作為事件偵聽器添加到DOM元素：

function  myEventListener（）{

    警報（“我被點(diǎn)擊了！”）

}

...

var  myBtn  =  document。getElementById（“myBtn”）

myBtn。addEventListener（“click”，myEventListener）

就像在C中一樣，myEventListener在調(diào)用中引用函數(shù)名稱時缺少括號addEventListener意味著它不會立即執(zhí)行。相反，該函數(shù)與所click討論的DOM元素上的事件相關(guān)聯(lián)。單擊該元素時，將調(diào)用該函數(shù)并發(fā)出警報。

流行的jQuery庫通過提供一個函數(shù)來簡化流程，該函數(shù)通過查詢字符串選擇DOM元素，并提供有用的函數(shù)來操作元素并向它們添加事件監(jiān)聽器：

$（“＃myBtn”）。click（function（）{

    警報（“我被點(diǎn)擊了！”）

}）

第一類函數(shù)也是實現(xiàn)異步I / O的手段，用于XMLHttpRequest作為Ajax基礎(chǔ)的對象。同樣的想法在Node.js中也無處不在。當(dāng)你想進(jìn)行非阻塞函數(shù)調(diào)用時，你傳遞一個函數(shù)引用，讓它在完成后重新打電話給你。

但是，這里還有其他的東西。其中第二個不僅僅是一流功能的例子。它也是lambda函數(shù)的一個例子。具體來說，這部分：

function（）{

    警報（“我被點(diǎn)擊了！”）;

}

lambda函數(shù)（通常稱為lambda）是一個未命名的函數(shù)。他們本來可以稱他們?yōu)槟涿瘮?shù)，然后每個人都會立即知道它們是什么。但是，這聽起來并不令人印象深刻，所以lambda的功能就是它！lambda函數(shù)的關(guān)鍵是你需要在那個地方只有那里的函數(shù); 因為在其他地方不需要它，你只需在那里定義它。它不需要名字。如果您確實需要在其他地方重用它，那么您可以考慮將其定義為命名函數(shù)并通過名稱引用它，就像我在第一個Javascript示例中所做的那樣。沒有l(wèi)ambda函數(shù)，使用jQuery和Node編程確實非常煩人。

Lambda函數(shù)以不同的方式用不同的語言定義：

在Javascript中： function(a, b) { return a + b }

在Java中： (a, b) -> a + b

在C＃中： (a, b) => a + b

在Clojure中： (fn [a b] (+ a b))

在Clojure中 - 速記版本： #(+ %1 %2)

在Groovy中： { a, b -> a + b }

在F＃中： fun a b -> a + b

在Ruby中，所謂的“stabby”語法： -> (a, b) { return a + b }

正如我們所看到的，大多數(shù)語言都比Javascript更簡潔地表達(dá)lambda。

地圖

您可能已經(jīng)在編程中使用術(shù)語“map”來表示將對象存儲為鍵值對的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如果您的語言將其稱為“字典”，那么很好 - 沒問題）。在函數(shù)式編程中，該術(shù)語具有另外的含義。實際上，基本概念實際上是一樣的。在這兩種情況下，一組事物被映射到另一組事物。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的意義上，地圖是名詞 - 鍵被映射到值。在編程意義上，映射是動詞 - 函數(shù)將值數(shù)組映射到另一個值數(shù)組。

假設(shè)你有一個函數(shù)f和一個值數(shù)組A = [ a1，a2，a3，a4 ]。要映射?F超過甲意味著應(yīng)用?F在每個元件甲：

• a1 → f（a1）= a1'

• a2 → f（a2）= a2'

• a3 → f（a3）= a3'

• a4 → f（a4）= a4'

然后，按照與輸入相同的順序組合結(jié)果數(shù)組：

A' = map（f，A）= [ a1'，a2'，a3'，a4' ]

按示例地圖

好的，所以這很有趣但有點(diǎn)數(shù)學(xué)。你多久會這樣做？實際上，它比你想象的要頻繁得多。像往常一樣，一個例子最好地解釋了事情，所以讓我們來看看我在學(xué)習(xí)Clojure時從exercism.io中提取的一個簡單的練習(xí)。這項運(yùn)動被稱為“RNA轉(zhuǎn)錄”，它非常簡單。我們將看一下需要轉(zhuǎn)換為輸出字符串的輸入字符串?；胤g如下：

• C→G

• G→C

• A→U

• T→A

除C，G，A，T以外的任何輸入均無效。JUnit5中的測試可能如下所示：

class  TranscriberShould {

    @ParameterizedTest

    @CsvSource（{

            “C，G”，

            “G，C”，

            “A，U”，

            “T，A”，

            “ACGTGGTCTTAA，UGCACCAGAAUU”

    }）

    void  transcribe_dna_to_rna（String  dna，String  rna）{

        var  transcriber  =  new  Transcriber（）;

        斷言（轉(zhuǎn)錄者。轉(zhuǎn)錄（dna），是（rna））;

    }

    @測試

    void  reject_invalid_bases（）{

        var  transcriber  =  new  Transcriber（）;

        assertThrows（

                IllegalArgumentException。上課，

                （）- >  抄寫員。轉(zhuǎn)錄（“XCGFGGTDTTAA”））;

    }

}

而且，我們可以通過這個Java實現(xiàn)來完成測試：

class  Transcriber {

    private  Map < Character，Character >  pairs  =  new  HashMap <>（）;

    Transcriber（）{

        對。放（'C'，'G'）;

        對。put（'G'，'C'）;

        對。放（'A'，'U'）;

        對。put（'T'，'A'）;

    }

    String  transcribe（String  dna）{

        var  rna  =  new  StringBuilder（）;

        對于（VAR  基：DNA。toCharArray（））{

            如果（對。的containsKey（基））{

                var  pair  =  pair。得到（基礎(chǔ)）;

                rna。追加（對）;

            } 其他

                拋出 新的 IllegalArgumentException（“不是基數(shù)：”  +  基數(shù)）;

        }

        返回 rna。toString（）;

    }

}

不出所料，將功能風(fēng)格編程的關(guān)鍵是將可能表達(dá)為函數(shù)的所有內(nèi)容轉(zhuǎn)換為一個函數(shù)。所以，讓我們這樣做：

char  basePair（char  base）{

    if（pairs。包含Key（base））

        回歸 對。得到（基礎(chǔ)）;

    其他

        拋出 新的 IllegalArgumentException（“不是基礎(chǔ)”  +  基礎(chǔ)）;

}

String  transcribe（String  dna）{

    var  rna  =  new  StringBuilder（）;

    對于（VAR  基：DNA。toCharArray（））{

        var  pair  =  basePair（base）;

        rna。追加（對）;

    }

    返回 rna。toString（）;

}

現(xiàn)在，我們可以將地圖用作動詞。在Java中，Streams API中提供了一個函數(shù)：

char  basePair（char  base）{

    if（pairs。包含Key（base））

        回歸 對。得到（基礎(chǔ)）;

    其他

        拋出 新的 IllegalArgumentException（“不是基礎(chǔ)”  +  基礎(chǔ)）;

}

String  transcribe（String  dna）{

    返回 dna。codePoints（）

            。mapToObj（c  - >（char）c）

            。地圖（基地 - >  basePair（基地））

            。收集（

                    StringBuilder :: new，

                    StringBuilder :: append，

                    StringBuilder :: append）

            。toString（）;

}

Hmmmm

所以，讓我們批評這個解決方案。關(guān)于它的最好的事情是循環(huán)已經(jīng)消失了。如果你考慮一下，循環(huán)是一種文書活動，我們真的不應(yīng)該在大多數(shù)時候關(guān)注它。通常，我們循環(huán)是因為我們想為集合中的每個元素做一些事情。我們真正想要做的是獲取此輸入序列并從中生成輸出序列。Streaming負(fù)責(zé)為我們迭代的基本管理工作。事實上，它是一種設(shè)計模式 - 一種功能性的設(shè)計模式 - 但是，我還沒有提到它的名字。我還不想嚇唬你。

我不得不承認(rèn)代碼的其余部分并不是那么好，主要是因為Java中的原語不是對象。第一點(diǎn)非偉大是這樣的：

mapToObj（c  - >（char）c）

我們必須這樣做，因為Java以不同的方式處理原語和對象，雖然該語言確實具有基元的包裝類，但是無法直接從String獲取Character對象的集合。

另一點(diǎn)不那么令人敬畏的是：

。收集（

        StringBuilder :: new，

        StringBuilder :: append，

        StringBuilder :: append）

很明顯為什么有必要再打append兩次電話。我稍后會解釋，但現(xiàn)在時間不對。

我不會試圖捍衛(wèi)這個代碼 - 它很糟糕。如果有一種方便的方法從String，甚至是一個字符數(shù)組中獲取Stream of Character對象，那么就沒有問題了，但我們并沒有幸運(yùn)。處理原語并不是Java中FP的最佳選擇。想想看，它對OO編程來說甚至都不好。所以，也許我們不應(yīng)該如此著迷原始人。如果我們從代碼中設(shè)計出來怎么辦？我們可以為基數(shù)創(chuàng)建一個枚舉：

enum  Base {

    C，G，A，T，U ;

}

而且，我們有一個類作為一個包含一系列基礎(chǔ)的一流集合：

class  Sequence {

    列出< 基地>  基地 ;

    序列（List < Base >  bases）{

        這個。堿 =  堿 ;

    }

    Stream < Base >  bases（）{

        返回 基地。stream（）;

    }

}

現(xiàn)在，  Transcriber 看起來像這樣：

class  Transcriber {

    private  Map < Base，Base >  pairs  =  new  HashMap <>（）;

    Transcriber（）{

        對。放（C，G）;

        對。放（G，C）;

        對。放（A，U）;

        對。put（T，A）;

    }

    序列 轉(zhuǎn)錄（序列 dna）{

        返回 新的 序列（DNA?；兀ǎ?/pre>
                。map（pairs :: get）
                。collect（toList（）））;
    }
}
這要好得多。這pairs::get是一個方法參考; 它指的是get分配給pairs變量的實例的方法。通過為基礎(chǔ)創(chuàng)建類型，我們設(shè)計了無效輸入的可能性，因此對該basePair方法的需求消失，異常也是如此。這是Java對Clojure的一個優(yōu)勢，它本身不能在函數(shù)契約中強(qiáng)制執(zhí)行類型。更重要的是，它StringBuilder也消失了。當(dāng)您需要迭代集合，以某種方式處理每個元素并構(gòu)建包含結(jié)果的新集合時，Java Streams非常適合。這可能占你生活中所寫循環(huán)的很大一部分。大部分的家務(wù)管理都不是真正的工作的一部分，而是為您完成的。
在Clojure
缺少打字，Clojure比Java版本更簡潔，它給我們映射字符串字符沒有任何困難。Clojure中最重要的抽象是序列; 所有集合類型都可以視為序列，字符串也不例外：
（def  對 { \ C ， “ G” ，
            \ G ， “ C” ，
            \ A ， “ U” ，
            \ T ， “ A” } ）

（defn  -base-pair  [ base ]
  （if-let  [ pair  （get  pairs  base ）]
    對
    （throw  （IllegalArgumentException。 （str  “ not base：”  base ）））））

（定義 轉(zhuǎn)錄 [ dna ]
  （地圖 基礎(chǔ)對 dna ））
這段代碼的業(yè)務(wù)結(jié)束是最后一行(map base-pair dna)- 值得指出，因為你可能錯過了它。它表示字符串上map的base-pair函數(shù)dna（表現(xiàn)為序列）。如果我們希望它返回一個字符串而不是一個列表，這就是map我們所要求的，唯一需要做的改變是：
（應(yīng)用 str  （map  base-pair  dna ））
在C＃中
我們來試試另一種語言。C＃中解決方案的必要方法如下所示：
命名空間 RnaTranscription
{
    公共 類 轉(zhuǎn)錄員
    {
        private  readonly  Dictionary < char，char >  _pairs  =  new  Dictionary < char，char >
        {
            { 'C'，'G' }，
            { 'G'，'C' }，
            { 'A'，'U' }，
            { 'T'，'A' }
        };

        public  string  Transcribe（string  dna）
        {
            var  rna  =  new  StringBuilder（）;
            的foreach（炭 b  中 的DNA）
                rna。追加（_pairs [ b ]）;
            返回 rna。ToString（）;
        }
    }
}
同樣，C＃沒有向我們展示我們在Java中遇到的問題，因為C＃中的字符串是可枚舉的，并且所有“基元”都可以被視為具有行為的對象。
我們可以用更加實用的方式重寫程序，就像這樣，并且它比Java Streams版本要簡單得多。對于Java流中的“map”，請在C＃中讀取“select”：
public  string  Transcribe（string  dna）
{
    return  String。加入（“”，dna。選擇（b  =>  _pairs [ b ]））;
}
或者，如果您愿意，可以使用LINQ作為其語法糖：
public  string  Transcribe（string  dna）
{
    return  String。加入（“” ，從 b  中 的DNA  選擇 _pairs [ b ]）;
}
為什么我們循環(huán)？
你可能會得到這個想法。如果您想到編寫循環(huán)之前的時間，通常您會嘗試完成以下任一操作：
將一種類型的數(shù)組映射到另一種類型的數(shù)組。
通過查找滿足某個謂詞的數(shù)組中的所有項來進(jìn)行過濾。
確定數(shù)組中的任何項目是否滿足某些謂詞。
累積數(shù)組中的計數(shù)，總和或其他類型的累積結(jié)果。
將數(shù)組的元素排序為特定順序。
大多數(shù)現(xiàn)代語言中提供的函數(shù)式編程功能使您無需編寫循環(huán)或創(chuàng)建集合來存儲結(jié)果即可完成所有這些操作。功能樣式允許您省去這些內(nèi)務(wù)操作并專注于實際工作。更重要的是，功能樣式允許您將操作鏈接在一起，例如，如果您需要：
將數(shù)組的元素映射到另一種類型。
過濾掉一些映射的元素。
對過濾的元素進(jìn)行排序
在命令式樣式中，這需要多個循環(huán)或一個循環(huán)，其中包含很多代碼。無論哪種方式，它涉及許多模糊程序真正目的的管理工作。在功能風(fēng)格中，您可以免除管理工作并直接表達(dá)您的意思。稍后，我們將看到更多功能樣式如何讓您的生活更輕松的例子。
            

                名稱欄目：功能樣式：Lambda函數(shù)和映射
                

                本文鏈接：http://www.rwnh.cn/article32/gpogsc.html
            
            

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