为什么我们要学习Haskell这样的编程语言

最近的几个月,我一直在学习一种叫Haskell的编程语言。由于里面有太多的从未遇到的编程概念,整个过程就像是完全重新学习如何编程。在i.TV网站上,我写了很多JavaScript(node.js和前端代码)。虽然有不少的函数式/haskell式的编程模式不能引用进来,但仍有大量的技术思想让我在使用javascript编程语言时受益不少。

你会发现Haskell库里有能够处理各种事情的各种各样的函数。起初我以为这些只是一种技术上的积累,但随后我认识到,这些函数相比起其它语言里的函数,它们能应用到形式更广泛的问题中。这使得它们更有价值,因为我们都不太喜欢对一些常见的问题还不得不自己去写解决方案。

这些函数是可以相互组合1的:它们能针对性的解决某些问题,而不对你的代码做任何依赖,所以,你可以拼装它们,组合成一个能够解决你的大问题的东西。

高阶函数(Higher Order Functions)

在Haskell语言中,最多的被反复使用的函数都是高阶函数(higher order functions)——能以函数作为参数、能返回函数的函数。这使得它们具有固有的灵活性。下面是一个不太灵活的函数:它计算一个数组里等于某个值的元素的个数。

// 不灵活
function countMatching(array, value) {
    var counted = 0
    for (var i = 0; i < array.length; i++) {
        if (array[i] == value) 
            counted++
    }
    return counted
}

// == 2
countMatching([1,3,3,4,5], 3) 

它不灵活,因为它只能用来计算一个数组中精确匹配某个值的元素的个数。

下面是一个灵活一些的版本,它能接受一个函数,而不是一个值,作为参数。我们可以用它来对任何数据、任何对象进行比较。

// more flexible
function count(array, matching) {
    var counted = 0
    for (var i = 0; i < array.length; i++) {
        if (matching(array[i]))
            counted++
    }
    return counted
}

// == 2, same as first example
count([1,3,3,4,5], function(num) {
    return (num == 3)
})

// == 2, now we can use our functions for ANY kind of items or match test!
count([{name:"bob"}, {name:"henry"}, {name:"jon"}], function(obj) {
    return (obj.name.length < 4)
})

因为高阶函数更具灵活性,你就更少有机会去写它们,因为你一旦你写成一个,你可以它应用到各种不同的情况中。

可重复利用的比较函数

你可能注意到了,count函数的写法比countMatching更冗长。但是,虽然count函数可复用了,但比较函数2却不可复用。如果是一些简单的情况,这就足够了,但经常,我们会需要更复杂的比较方法的函数。这样的函数不仅仅可用于计数,它们可以用于任何事情上,一但你写成或找到了这样的函数,从长期的角度看,它们会节省你大量的时间和调试功夫。

让我们来定义一个可复用的比较函数,达到我们的目的。==不是一个函数。我们是否可以定义一个eq函数来帮我们完成类似的事情呢?

function eq(a, b) {
    return (a == b)
}

count([1,3,3,4,5], function(num) {
    return eq(3, num)
})

我们向前迈进了一步:我们用了一个库函数来完成比较任务,而不是使用我们现写的代码。如果eq函数很复杂,我们可以测试它并可以在其它的地方复用它。

但这使代码变得冗长,因为count函数的参数是一个只需要一个参数——数组元素——的函数,而eq函数却需要两个参数。我还是要定义我们自己的匿名函数。让我们来简化一下这些代码。

 
function makeEq(a) {
    // countMatchingWith wants a function that takes 
    // only 1 argument, just like the one we're returning
    return function(b) { 
        return eq(a, b)
    }
}

// now it's only on one line!
count([1,3,3,4,5], makeEq(3))

我们写了一个兼容count函数的函数(一个参数——数组元素——返回true或false)。看起来就像是count函数调用的是eq(3, item)。这叫做偏函数用法(partial function application)。

偏函数用法(Partial Application)

偏函数用法(Partial Function Application)是指创建一个调用另外一个部分参数已经预置的函数的函数的用法。这样,它就能被别的地方,比如count函数,以更少的参数形式来调用。我们在makeEq函数里已经实现了这些,但是,我们并不想针对我们各种功能开发出各种版本的makeX(比如makeEqt,makeGt,makeLt等)函数。让我们来找一种方法能通用于各种形式的函数。

function applyFirst(f, a) {
    return function(b) {
        return f.call(null, a, b)
    }
}

count([1,3,3,4,5], applyFirst(eq, 3))

现在我们不再需要一个makeEq函数了。任何2个参数的库函数,我们都可以按这种方式调用。通过偏函数用法,使得定义即使是诸如==这样简单功能的各种函数都变得十分有意义,我们可以在高阶函数中更容易的使用它们。

对那些超过2个参数的函数如何办呢?下面的这一版本3能让我们接受任意多的参数,高阶函数可以自己追加参数。

function apply(f) {
    var args = Array.prototype.slice.call(arguments, 1)
    return function(x) {
        return f.apply(null, args.concat(x))
    }
}

function propertyEquals(propertyName, value, obj) {
    return (obj[propertyName] == value)
}

count([{name:"bob"},{name:"john"}], apply(propertyEquals, "name", "bob")) // == 1

我们预置了2个参数,“name” 和 “bob”,count函数补足了最后一个参数来完成整个调用。偏函数用法使我们能接受各样的函数为参数,例如eq,然后把它们用于各样的高阶函数,例如count,以此来解决我们特定的问题。

配合ES5的 Map 和 Filter 功能函数的偏函数用法

ES5里有很多非常好的高阶函数,underscore里的数量更多。让我们看看filter函数——一个接收比较函数、过滤数组内容的函数。

// this equals [1,3,3]
[1,3,3,4,5].filter(function(num) {
    return (num < 4)
})

让我们把它替换成一个可以复用的比较函数lt (less than)。

function lt(a, b) {
    return (a < b)
}

[1,3,3,4,5].filter(apply(lt, 4))

看上去添加这个lt函数的做法有点傻,但是,我们可以使用偏函数用法来创造一个很简练的比较函数,当这个比较函数变的很复杂的时候,我们就能从对它的复用过程中获得好处。

map函数能让你把数组里的一个东西变成另外一个东西。

var usersById = {"u1":{name:"bob"}, "u2":{name:"john"}}
var user = {name:"sean", friendIds: ["u1", "u2"]}

// == ["bob", "john"]
function friendsNames(usersById, user) {
    return user.friendIds.map(function(id) {
        return usersById[id].name
    })
}

我们写一个可以复用的map变换函数,就像之前我们的可复用比较函数一样。让我们写一个叫做lookup的函数。

function lookup(obj, key) {
    return obj[key]
}

// == [{name:"bob"}, {name:"john"}]
function friends(usersById, user) {
    return user.friendIds.map(apply(lookup, usersById))
}

很接近要求,但我们需要的是名称,而不是friend对象本身。如果我们再写一个参数颠倒过来的 lookup函数,通过第二次的map可以把它们的名称取出来。

function lookupFlipped(key, obj) {
    return lookup(obj, key)
}

// == ["bob", "john"]
function friendsNames(usersById, user) {
    return friends(usersById, user)
            .map(apply(lookupFlipped, "name"))
}

但是我不想定义这个lookupFlipped函数,这样干有点傻。这样,我们来定义一个函数,它接收参数的顺序是从右到左,而不是从左到右,于是我们就能够复用lookup了。

function applyr(f) {
    var args = Array.prototype.slice.call(arguments, 1)
    return function(x) {
        return f.apply(null, [x].concat(args))
    }
}

// == ["bob", "john"]
function friendsNames(usersById, user) {
    return friends(usersById, user)
            .map(applyr(lookup, "name")) // we can use normal lookup!
}

applyr(lookup, "name")函数返回的函数只接受一个参数——那个对象——返回对象的名称。我们不再需要反转任何东西:我们可以按任何顺序接受参数。

偏函数用法需要对一些常见的功能定义各种不同的函数,就像lt函数,但这正是我们的目的。你可以以偏函数用法把lt函数既用于count函数,也可用于Array.filter函数。它们可以复用,可以组合使用。

函数组合

在之前的例子中,我们遍历了数组两次,一次用来获取users,一次为了获取names。如果能在一次map映射操作中同时做这两件事情,效率会高很多。

function friendsNames(usersById, user) {
    return user.friendIds.map(function(id) {
        var friend = lookup(usersById, id)
        return lookup(friend, "name")
    })
}

我们得到首次lookup的结果,把它第二次传入lookup函数组合意思是串联多个函数,组成一个新的函数,每一次串联都是把前一个函数的输出当作下一个函数的输入。

让我们来写一个能这样运转的高阶函数,利用它把friendsNames函数重写成一个只需要单次map操作的函数。需要注意的是,函数串联的执行顺序是从右到左的,就跟你写出f(g(x))这样的代码的运行方式一样。

function compose(f, g) {
    return function(x) {
        return f(g(x))
    }
}

function friendsNames(usersById, user) {
    return user.friendIds.map(compose(applyr(lookup, "name"), apply(lookup, usersById)))
}

对数组的遍历只进行了一次,只使用一次map操作,跟我们头一个例子一样。

我们不能使用我们写出的friends函数,因为它既包含了如何取出一个friend的业务逻辑,也包含了map操作。friends函数是不能复用的,它的职责太多了——它是针对特定事物的。如果你们再写一个friend函数,让它只map一个friend,写一个name函数,让它返回对象的名称呢?

var friend = lookup // lookup 恰巧能干我们想要的事情。
var name = applyr(lookup, "name")

function friendsNames(usersById, user) {
    // this line is now more semantic. 
    return user.friends.map(compose(name, apply(friend, usersById)))
}

相较于定义一个既包含转换操作,又包含遍历操作的friends函数,我们只定义了一个可做转换操作的friend函数,而我们已经有了map函数为我做变换操作。friend函数比friends函数更具复用性,因为它包含更少的特定业务逻辑,能在更多的情形中使用。

这里你能找到更多的关于JavaScript里函数组合的信息。

函数式和功能单一化让你的代码库更整洁

我发现我的很多的JavaScript代码都是从无到有自己写出来的。这不仅仅是说比起使用现成的程序包要效率低,它还会暗藏更多的bug,更难阅读和维护。使用高阶函数和偏函数用法,我们可以写出可复用的程序库,每个函数都精准的对应解决它们能解决的一部分问题。

随着时间的推移,项目会变得越来越复杂,各部分越来越耦合,如果我们拥有的是一个能够各自独立测试不依赖的程序库,我们的项目会从中受益,变得更健康,更稳定。

  1. 一种宽泛的组合。并不特指函数或对象组合,只是一种你用小东西组建大东西的思想。

  2. “Matching functions”被称作predicates,但我这里不想引入新的编程术语。

  3. 这里有更通用的apply实现。

[英文原文:Learn You a Haskell: For Great Good? ]

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20 Responses to 为什么我们要学习Haskell这样的编程语言

  1. champ says:

    感觉和python差不多,都体现了函数式语言的本质:“将方法(函数)和数据(对象)同等对待”

    • garfileo says:

      这篇文章说的只是 haskell 非常基础的那部分内容。从haskell幕后的最基本的范畴论而言,函数只是态射方面的内容,除此以外,还有对象和函子方面的内容,具体体现为代数数据类型、类型类、函子、Applicative、单子等内容。

      这些概念通常看上去挺没用的,但是只要理解了它们,经常可以让代码变得非常简洁。例如要计算两个列表中元素的组合运算,以字符串组合相连来说,利用函子的概念,只需一行代码:

      (++) [“ha”,”heh”,”hmm”] [“?”,”!”,”.”]

      结果是:[“ha?”,”ha!”,”ha.”,”heh?”,”heh!”,”heh.”,”hmm?”,”hmm!”,”hmm.”]

      进一步拓展的话,不难想到可以利用这种方式来取代晦涩的正则表达式。

      这种代码表现力,我在其他语言上很少能见得到,即便是有,也通常会被归结为奇技淫巧之类,而在 haskell 中,此类技巧只需遵循一些精确的规则,就可以很自然的写出来。

  2. Timothy says:

    不断对代码提炼,的确能够帮助提高编码质量

  3. garfileo says:

    @流年

    谢谢提醒。

    (++) <$> [“ha”,”heh”,”hmm”] <*> [“?”,”!”,”.”]

    • 依云 says:

      没看懂。。。哪里有 Applicative 的入门教程?

    • 依云 says:

      嗯,我又找到另外三种做到这个的方法(a 和 b 是那两个字符串列表):
      [x++y|x<-a, y<-b]
      liftM2 (++) a b
      liftA2 (++) a b
      这些东西有什么区别和联系啊?

    • 依云 says:

      只能有三级回复啊。。。

      我一开始在看 LYAH,觉得讲得不太适合我,没看多少。后来看你在弄 Haskell,又在论坛上见识了下实际用途的程序,迅速看了 LYAH 前几章的中文版,然后转战 RWH 了。Applicative 一直萦绕我心,夜深人不静之时又去翻 LYAH,看到这个例子了~

  4. paper says:

    真心酷!太棒了!

  5. 依云 says:

    偏函数用法,Orz。。。。这是偏微分算多了的结果么?Partial Application === 部分应用。

    • kenchowcn says:

      其实我不是来讨论问题的,我最近才看到这个网站;
      在这里,发现一个网络熟人–依云,我发现我已经跟上你的脚步,怎么哪里都是你。

  6. xccsd says:

    看着好像和AAUTO 语言差不多,不知道那个更具有优势,使用更方便灵活~

  7. __alex__ says:

    在 Python 中可以这样

    [x + y for x in ['he', 'heh', 'hmm'] y in ['!', '?', '.']]

    • 依云 says:

      from operator import add
      from itertools import product
      list(map(add, *zip(*product([‘he’, ‘heh’, ‘hmm’], [‘!’, ‘?’, ‘.’]))))

      好蛋疼啊。。。

    • garfileo says:

      列表解析式,Haskell 那个可能更直白一点,例如:

      [x ++ y | x <- ["ha","heh","hmm"], y <- ["?","!","."]]

      而且 Haskell 的列表 Applicative 函子也是用列表解析式构建的。但是列表解析式只适于列表,而 Haskell 的那种 Applicative 函子的做法是对于“同一类的值组合起来,然后将函数作用至其内部”这样的操作具有普适性。

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