高階函數與 DRY · Scala初學指南

前幾章介紹了 Scala 容器類型的可組合性特征。接下來，你會發現，Scala 中的一等公民——函數也具有這一性質。組合性產生可重用性，雖然后者是經由面向對象編程而為人熟知，但它也絕對是純函數的固有性質。（純函數是指那些沒有副作用且是引用透明的函數）一個明顯的例子是調用已知函數實現一個新的函數，當然，還有其他的方式來重用已知函數。這一章會討論函數式編程的一些基本原理。你將會學到如何使用高階函數，以及重用已有代碼時，遵守 [DRY](http://en.wikipedia.org/wiki/Don%27t_repeat_yourself) 原則。 ### 高階函數和一階函數相比，高階函數可以有三種形式： 1. 一個或多個參數是函數，并返回一個值。 1. 返回一個函數，但沒有參數是函數。 1. 上述兩者疊加：一個或多個參數是函數，并返回一個函數。看到這里的讀者應該已經見到過第一種使用：我們調用一個方法，像 `map` 、 `filter` 、 `flatMap` ，并傳遞另一個函數給它。傳遞給方法的函數通常是匿名函數，有時候，還涉及一些代碼冗余。這一章只關注另外兩種功能：一個可以根據輸入值構建新的函數，另一個可以根據現有的函數組合出新的函數。這兩種情況都能夠消除代碼冗余。 ### 函數生成你可能認為依據輸入值創建新函數的能力并不是那么有用。函數組合非常重要，但在這之前，還是先來看看如何使用可以產生新函數的函數。假設要實現一個免費的郵件服務，用戶可以設置對郵件的屏蔽。我們用一個簡單的樣例類來代表郵件： ~~~ case class Email( subject: String, text: String, sender: String, recipient: String ) ~~~ 想讓用戶可以自定義過濾條件，需有一個過濾函數——類型為 `Email => Boolean` 的謂詞函數，這個謂詞函數決定某個郵件是否該被屏蔽：如果謂詞成真，那這個郵件被接受，否則就被屏蔽掉。 ~~~ type EmailFilter = Email => Boolean def newMailsForUser(mails: Seq[Email], f: EmailFilter) = mails.filter(f) ~~~ 注意，類型別名使得代碼看起來更有意義。現在，為了使用戶能夠配置郵件過濾器，實現了一些可以產生 `EmailFilter` 的工廠方法： ~~~ val sentByOneOf: Set[String] => EmailFilter = senders => email => senders.contains(email.sender) val notSentByAnyOf: Set[String] => EmailFilter = senders => email => !senders.contains(email.sender) val minimumSize: Int => EmailFilter = n => email => email.text.size >= n val maximumSize: Int => EmailFilter = n => email => email.text.size <= n ~~~ 這四個 _vals_ 都是可以返回 `EmailFilter` 的函數，前兩個接受代表發送者的 `Set[String]` 作為輸入，后兩個接受代表郵件內容長度的 `Int` 作為輸入。可以使用這些函數來創建 `EmialFilter` ： ~~~ val emailFilter: EmailFilter = notSentByAnyOf(Set("johndoe@example.com")) val mails = Email( subject = "It's me again, your stalker friend!", text = "Hello my friend! How are you?", sender = "johndoe@example.com", recipient = "me@example.com") :: Nil newMailsForUser(mails, emailFilter) // returns an empty list ~~~ 這個過濾器過濾掉列表里唯一的一個元素，因為用戶屏蔽了來自 `johndoe@example.com` 的郵件。可以用工廠方法創建任意的 `EmailFilter` 函數，這取決于用戶的需求了。 ### 重用已有函數當前的解決方案有兩個問題。第一個是工廠方法中有重復代碼。上文提到過，函數的組合特征可以很輕易的保持 DRY 原則，既然如此，那就試著使用它吧！對于 `minimumSize` 和 `maximumSize` ，我們引入一個叫做 `sizeConstraint` 的函數。這個函數接受一個謂詞函數，該謂詞函數檢查函數內容長度是否OK，郵件長度會通過參數傳遞給它： ~~~ type SizeChecker = Int => Boolean val sizeConstraint: SizeChecker => EmailFilter = f => email => f(email.text.size) ~~~ 這樣，我們就可以用 `sizeConstraint` 來表示 `minimumSize` 和 `maximumSize` 了： ~~~ val minimumSize: Int => EmailFilter = n => sizeConstraint(_ >= n) val maximumSize: Int => EmailFilter = n => sizeConstraint(_ <= n) ~~~ ### 函數組合為另外兩個謂詞（`sentByOneOf`、 `notSentByAnyOf`）介紹一個通用的高階函數，通過它，可以用一個函數去表達另外一個函數。這個高階函數就是 `complement` ，給定一個類型為 `A => Boolean` 的謂詞，它返回一個新函數，這個新函數總是得出和謂詞相對立的結果： ~~~ def complement[A](predicate: A => Boolean) = (a: A) => !predicate(a) ~~~ 現在，對于一個已有的謂詞 `p` ，調用 `complement(p)` 可以得到它的補。然而， `sentByAnyOf` 并不是一個謂詞函數，它返回類型為 `EmailFilter` 的謂詞。 Scala 函數的可組合能力現在就用的上了：給定兩個函數 `f` 、 `g` ， `f.compose(g)` 返回一個新函數，調用這個新函數時，會首先調用 `g` ，然后應用 `f` 到 `g` 的返回結果上。類似的， `f.andThen(g)` 返回的新函數會應用 `g` 到 `f` 的返回結果上。知道了這些，我們就可以重寫 `notSentByAnyOf` 了： ~~~ val notSentByAnyOf = sentByOneOf andThen (g => complement(g)) ~~~ 上面的代碼創建了一個新的函數，這個函數首先應用 `sentByOneOf` 到參數 `Set[String]` 上，產生一個 `EmailFilter` 謂詞,然后，應用 `complement` 到這個謂詞上。使用 Scala 的下劃線語法，這短代碼還能更精簡： ~~~ val notSentByAnyOf = sentByOneOf andThen (complement(_)) ~~~ 讀者可能已經注意到，給定 `complement` 函數，也可以通過 `minimumSize` 來實現 `maximumSize` 。不過，先前的實現方式更加靈活，它允許檢查郵件內容的任意長度。謂 #### 謂詞組合郵件過濾器的第二個問題是，當前只能傳遞一個 `EmailFilter` 給 `newMailsForUser` 函數，而用戶必然想設置多個標準。所以需要可以一種可以創建組合謂詞的方法，這個組合謂詞可以在任意一個標準滿足的情況下返回 `true` ，或者在都不滿足時返回 `false` 。下面的代碼是一種實現方式： ~~~ def any[A](predicates: (A => Boolean)*): A => Boolean = a => predicates.exists(pred => pred(a)) def none[A](predicates: (A => Boolean)*) = complement(any(predicates: _*)) def every[A](predicates: (A => Boolean)*) = none(predicates.view.map(complement(_)): _*) ~~~ `any` 函數返回的新函數會檢查是否有一個謂詞對于輸入 `a` 成真。`none` 返回的是 `any` 返回函數的補，只要存在一個成真的謂詞， `none` 的條件就無法滿足。最后， `every` 利用 `none` 和 `any` 來判定是否每個謂詞的補對于輸入 `a` 都不成真。可以使用它們來創建代表用戶設置的組合 `EmialFilter` ： ~~~ val filter: EmailFilter = every( notSentByAnyOf(Set("johndoe@example.com")), minimumSize(100), maximumSize(10000) ) ~~~ #### 流水線組合再舉一個函數組合的例子。回顧下上面的場景，郵件提供者不僅想讓用戶可以配置郵件過濾器，還想對用戶發送的郵件做一些處理。這是一些簡單的 `Emial => Email` 函數，一些可能的處理函數是： ~~~ val addMissingSubject = (email: Email) => if (email.subject.isEmpty) email.copy(subject = "No subject") else email val checkSpelling = (email: Email) => email.copy(text = email.text.replaceAll("your", "you're")) val removeInappropriateLanguage = (email: Email) => email.copy(text = email.text.replaceAll("dynamic typing", "**CENSORED**")) val addAdvertismentToFooter = (email: Email) => email.copy(text = email.text + "\nThis mail sent via Super Awesome Free Mail") ~~~ 現在，根據老板的心情，可以按需配置郵件處理的流水線。通過 `andThen` 調用實現，或者使用 Function 伴生對象上的 `chain` 方法： ~~~ val pipeline = Function.chain(Seq( addMissingSubject, checkSpelling, removeInappropriateLanguage, addAdvertismentToFooter)) ~~~ ### 高階函數與偏函數這部分不會關注細節，不過，在知道了這么多通過高階函數來組合和重用函數的方法之后，你可能想再重新看看偏函數。 #### 鏈接偏函數匿名函數那一章提到過，偏函數可以被用來創建責任鏈：`PartialFunction` 上的 `orElse` 方法允許鏈接任意個偏函數，從而組合出一個新的偏函數。不過，只有在一個偏函數沒有為給定輸入定義的時候，才會把責任傳遞給下一個偏函數。從而可以做下面這樣的事情： ~~~ val handler = fooHandler orElse barHandler orElse bazHandler ~~~ #### 再看偏函數有時候，偏函數并不合適。仔細想想，一個函數沒有為所有的輸入值定義操作，這樣的事實還可以用一個返回 `Option[A]` 的標準函數代替：如果函數為一個輸入定義了操作，那就返回 `Some[A]` ，否則返回 `None` 。要這么做的話，可以在給定的偏函數 `pf` 上調用 `lift` 方法得到一個普通的函數，這個函數返回 `Option` 。反過來，如果有一個返回 `Option` 的普通函數 `f` ，也可以調用 `Function.unlift(f)` 來得到一個偏函數。總 ### 總結這一章給出了高階函數的使用，利用它可以在一個新的環境里重用已有函數，并用靈活的方式去組合它們。在所舉的例子中，就代碼行數而言，可能看不出太多價值，這些例子都很簡單，只是為了說明而已，在架構層面，組合和重用函數是有很大幫助的。下一章，我們繼續探索函數組合的方式：_函數部分應用和柯里化(Partial Function Application and Currying)_。