函數(shù)式編程

      函數(shù)式編程這個(gè)概念我們可能或多或少都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，剛聽(tīng)說(shuō)的時(shí)候不明覺(jué)厲，覺(jué)得這是一個(gè)非常黑科技的概念。但是實(shí)際上它的含義很樸實(shí)，但是延伸出來(lái)許多豐富的用法。

在早期編程語(yǔ)言還不是很多的時(shí)候，我們會(huì)將語(yǔ)言分成高級(jí)語(yǔ)言與低級(jí)語(yǔ)言。比如匯編語(yǔ)言，就是低級(jí)語(yǔ)言，幾乎什么封裝也沒(méi)有，做一個(gè)賦值運(yùn)算還需要我們手動(dòng)調(diào)用寄存器。而高級(jí)語(yǔ)言則從這些面向機(jī)器的指令當(dāng)中抽身出來(lái)，轉(zhuǎn)而面向過(guò)程或者是對(duì)象。也就是說(shuō)我們寫(xiě)代碼面向的是一段計(jì)算過(guò)程或者是一個(gè)計(jì)算機(jī)當(dāng)中抽象出來(lái)的對(duì)象。如果你學(xué)過(guò)面向?qū)ο?，你?huì)發(fā)現(xiàn)和面向過(guò)程相比，面向?qū)ο蟮某橄蟪潭雀吡艘恍?，做了更加完善的封裝。

在面向?qū)ο笾竽?，我們還可以做什么封裝和抽象呢?這就輪到了函數(shù)式編程。

函數(shù)我們都了解，就是我們定義的一段程序，它的輸入和輸出都是確定的。我們把一段函數(shù)寫(xiě)好，它可以在任何地方進(jìn)行調(diào)用。既然函數(shù)這么好用，那么能不能把函數(shù)也看成是一個(gè)變量進(jìn)行返回和傳參呢?

OK，這個(gè)就是函數(shù)式編程最直觀的特點(diǎn)。也就是說(shuō)我們寫(xiě)的一段函數(shù)也可以作為變量，既可以用來(lái)賦值，還可以用來(lái)傳遞，并且還能進(jìn)行返回。這樣一來(lái)，大大方便了我們的編碼，但是這并不是有利無(wú)害的，相反它帶來(lái)許多問(wèn)題，最直觀的問(wèn)題就是由于函數(shù)傳入的參數(shù)還可以是另一個(gè)函數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致函數(shù)的計(jì)算過(guò)程變得不可確定，許多超出我們預(yù)期的事情都有可能發(fā)生。

所以函數(shù)式編程是有利有弊的，它的確簡(jiǎn)化了許多問(wèn)題，但也產(chǎn)生了許多新的問(wèn)題，我們?cè)谑褂玫倪^(guò)程當(dāng)中需要謹(jǐn)慎。

傳入、返回函數(shù)在我們之前介紹filter、map、reduce以及自定義排序的時(shí)候，其實(shí)我們已經(jīng)用到了函數(shù)式編程的概念了。

比如在我們調(diào)用sorted進(jìn)行排序的時(shí)候，如果我們傳入的是一個(gè)對(duì)象數(shù)組，我們希望根據(jù)我們制定的字段排序，這個(gè)時(shí)候我們往往需要傳入一個(gè)匿名函數(shù)，用來(lái)制定排序的字段。其實(shí)傳入的匿名函數(shù)，其實(shí)就是函數(shù)式編程最直觀的體現(xiàn)了：

sorted(kids,key=lambdax:x['score'])

除此之外，我們還可以返回一個(gè)函數(shù)，比如我們來(lái)看一個(gè)例子：

defdelay_sum(nums):

defsum():

s=0

foriinnums:

s+=i

returns

returnsum

如果這個(gè)時(shí)候我們調(diào)用delay_sum傳入一串?dāng)?shù)字，我們會(huì)得到什么?

答案是一個(gè)函數(shù)，我們可以直接輸出，從打印信息里看出這一點(diǎn)：

>>>delay_sum([1,3,4,2])

.sumat0x1018659e0>

我們想獲得這個(gè)運(yùn)算結(jié)果應(yīng)該怎么辦呢?也很簡(jiǎn)單，我們用一個(gè)變量去接收它，然后執(zhí)行這個(gè)新的變量即可：

>>>f=delay_sum([1,3,4,2])

>>>f()

10

這樣做有一個(gè)好處是我們可以延遲計(jì)算，如果不使用函數(shù)式編程，那么我們需要在調(diào)用delay_sum這個(gè)函數(shù)的時(shí)候就計(jì)算出結(jié)果。如果這個(gè)運(yùn)算量很小還好，如果這個(gè)運(yùn)算量很大，就會(huì)造成開(kāi)銷。并且當(dāng)我們計(jì)算出結(jié)果來(lái)之后，這個(gè)結(jié)果也許不是立即使用的，可能到很晚才會(huì)用到。既然如此，我們返回一個(gè)函數(shù)代替了運(yùn)算，當(dāng)后面真正需要用到的時(shí)候再執(zhí)行結(jié)果，從而延遲了運(yùn)算。這也是很多計(jì)算框架的常用思路，比如spark。

閉包我們?cè)賮?lái)回顧一下我們剛才舉的例子，在剛才的delay_sum函數(shù)當(dāng)中，我們內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)sum函數(shù)，我們?cè)谶@個(gè)函數(shù)當(dāng)中調(diào)用了delay_sum函數(shù)傳入的參數(shù)。這種對(duì)外部作用域的變量進(jìn)行引用的內(nèi)部函數(shù)就稱為閉包。

其實(shí)這個(gè)概念很形象，因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)內(nèi)部調(diào)用的數(shù)據(jù)對(duì)于調(diào)用方來(lái)說(shuō)是封閉的，完全是一個(gè)黑盒，除非我們查看源碼，否則我們是不知道它當(dāng)中數(shù)據(jù)的來(lái)源的。除了不知道來(lái)源之外，更重要的是它引用的是外部函數(shù)的變量，既然是變量就說(shuō)明是動(dòng)態(tài)的。也就是說(shuō)我們可以通過(guò)改變某些外部變量的值來(lái)改變閉包的運(yùn)行效果。

這么說(shuō)有點(diǎn)拗口，我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。在Python當(dāng)中有一個(gè)函數(shù)叫做math.pow其實(shí)就是計(jì)算次方的。比如我們要計(jì)算x的平方，那么我們應(yīng)該這樣寫(xiě)：

math.pow(x,2)

但是如果我們當(dāng)前場(chǎng)景下只需要計(jì)算平方，我們每次都要傳入額外再傳入一個(gè)2會(huì)顯得非常麻煩，這個(gè)時(shí)候我們使用閉包，可以簡(jiǎn)化操作：

defmypow(num):

defpw(x):

returnmath.pow(x,num)

returnpw

pow2=mypow(2)

print(pow2(10))

通過(guò)閉包，我們把第二個(gè)變量給固定了，這樣我們只需要使用pow2就可以實(shí)現(xiàn)原來(lái)math.pow(x,2)的功能了。如果我們突然需求變更需要計(jì)算3次方或者是4次方，我們只需要修改mypow的傳入?yún)?shù)即可，完全不需要修改代碼。

實(shí)際上這也是閉包最大的使用場(chǎng)景，我們可以通過(guò)閉包實(shí)現(xiàn)一些非常靈活的功能，以及通過(guò)配置修改一些功能等操作，而不再需要通過(guò)代碼寫(xiě)死。要知道對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，線上的代碼是不能隨便變更的，尤其是客戶端，比如applestore或者是安卓商店當(dāng)中的軟件包，只有用戶手動(dòng)更新才會(huì)拉取。如果出現(xiàn)問(wèn)題了，幾乎沒(méi)有辦法修改，只能等用戶手動(dòng)更新。所以常規(guī)操作就是使用一些類似閉包的靈活功能，通過(guò)修改配置的方式改變代碼的邏輯。

除此之外閉包還有一個(gè)用處是可以暫存變量或者是運(yùn)行時(shí)的環(huán)境。

舉個(gè)例子，我們來(lái)看下面這段代碼：

defstep(x=0):

x+=5

returnx

這是沒(méi)有使用閉包的函數(shù)，不管我們調(diào)用多少次，答案都是5，執(zhí)行完x+=5之后的結(jié)果并不會(huì)被保存起來(lái)，當(dāng)函數(shù)返回了，這個(gè)暫存的值也就被拋棄了。那如果我希望每次調(diào)用都是依據(jù)上次調(diào)用的結(jié)果，也就是說(shuō)我們每次修改的操作都能保存起來(lái)，而不是丟棄呢?

這個(gè)時(shí)候就需要使用閉包了：

deftest(x=0):

defstep():

nonlocalx

x+=5

returnx

returnstep

t=test()

t()

>>>5

t()

>>>10

也就是說(shuō)我們的x的值被存儲(chǔ)起來(lái)了，每次修改都會(huì)累計(jì)，而不是丟棄。這里需要注意一點(diǎn)，我們用到了一個(gè)新的關(guān)鍵字叫做nonlocal，這是Python3當(dāng)中獨(dú)有的關(guān)鍵字，用來(lái)申明當(dāng)前的變量x不是局部變量，這樣Python解釋器就會(huì)去全局變量當(dāng)中去尋找這個(gè)x，這樣就能關(guān)聯(lián)上test方法當(dāng)中傳入的參數(shù)x。Python2官方已經(jīng)不更新了，不推薦使用。

由于在Python當(dāng)中也是一切都是對(duì)象，如果我們把閉包外層的函數(shù)看成是一個(gè)類的話，其實(shí)閉包和類區(qū)別就不大了，我們甚至可以給閉包返回的函數(shù)關(guān)聯(lián)函數(shù)，這樣幾乎就是一個(gè)對(duì)象了。來(lái)看一個(gè)例子：

defstudent():

name='xiaoming'

defstu():

returnname

defset_name(value):

nonlocalname

name=value

stu.set_name=set_name

returnstu

stu=student()

stu.set_name('xiaohong')

print(stu())

最后運(yùn)算的結(jié)果是xiaohong，因?yàn)槲覀冋{(diào)用set_name改變了閉包外部的值。這樣當(dāng)然是可以的，但是一般情況下我們并不會(huì)用到它。和寫(xiě)一個(gè)class相比，通過(guò)閉包的方法運(yùn)算速度會(huì)更快。原因比較隱蔽，是因?yàn)殚]包當(dāng)中沒(méi)有self指針，從而節(jié)省了大量的變量的訪問(wèn)和運(yùn)算，所以計(jì)算的速度要快上一些。但是閉包搞出來(lái)的偽對(duì)象是不能使用繼承、派生等方法的，而且和正常的用法格格不入，所以我們知道有這樣的方法就可以了，現(xiàn)實(shí)中并不會(huì)用到。

閉包的坑閉包雖然好用，但是不小心的話也是很容易踩坑的，下面介紹幾個(gè)常見(jiàn)的坑點(diǎn)。

閉包不能直接訪問(wèn)外部變量

這一點(diǎn)我們剛才已經(jīng)提到了，在閉包當(dāng)中我們不能直接訪問(wèn)外部的變量的，必須要通過(guò)nonlocal關(guān)鍵字進(jìn)行標(biāo)注，否則的話是會(huì)報(bào)錯(cuò)的。

deftest():

n=0

deft():

n+=5

returnn

returnt

比如這樣的話，就會(huì)報(bào)錯(cuò)：

閉包當(dāng)中不能使用循環(huán)變量

閉包有一個(gè)很大的問(wèn)題就是不能使用循環(huán)變量，這個(gè)坑藏得很深，因?yàn)閱渭儚拇a的邏輯上來(lái)看是發(fā)現(xiàn)不了的。也就是說(shuō)邏輯上沒(méi)問(wèn)題的代碼，運(yùn)行的時(shí)候往往會(huì)出乎我們的意料，這需要我們對(duì)底層的原理有深刻地了解才能發(fā)現(xiàn)，比如我們來(lái)看一個(gè)例子：

deftest(x):

fs=[]

foriinrange(3):

deff():

returnx+i

fs.append(f)

returnfs

fs=test(3)

forfinfs:

print(f())

在上面這個(gè)例子當(dāng)中，我們使用了for循環(huán)來(lái)創(chuàng)建了3個(gè)閉包，我們使用fs存儲(chǔ)這三個(gè)閉包并進(jìn)行返回。然后我們通過(guò)調(diào)用test，來(lái)獲得了這3個(gè)閉包，然后我們進(jìn)行了調(diào)用。

這個(gè)邏輯看起來(lái)應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題，按照道理，這3個(gè)閉包是通過(guò)for循環(huán)創(chuàng)建的，并且在閉包當(dāng)中我們用到了循環(huán)變量i。那按照我們的想法，最終輸出的結(jié)果應(yīng)該是[3,4,5]，但是很遺憾，最后我們得到的結(jié)果是[5,5,5]。

看起來(lái)很奇怪吧，其實(shí)一點(diǎn)也不奇怪，因?yàn)檠h(huán)變量i并不是在創(chuàng)建閉包的時(shí)候就set好的。而是當(dāng)我們執(zhí)行閉包的時(shí)候，我們?cè)偃ふ疫@個(gè)i對(duì)應(yīng)的取值，顯然當(dāng)我們運(yùn)行閉包的時(shí)候，循環(huán)已經(jīng)執(zhí)行完了，此時(shí)的i停在了2。所以這3個(gè)閉包的執(zhí)行結(jié)果都是2+3也就是5。這個(gè)坑是由Python解釋器當(dāng)中對(duì)于閉包執(zhí)行的邏輯導(dǎo)致的，我們編寫(xiě)的邏輯是對(duì)的，但是它并不按照我們的邏輯來(lái)，所以這一點(diǎn)要千萬(wàn)注意，如果忘記了，想要通過(guò)debug查找出來(lái)會(huì)很難。

總結(jié)雖然從表面上閉包存在一些問(wèn)題和坑點(diǎn)，但是它依然是我們經(jīng)常使用的Python高級(jí)特性，并且它也是很多其他高級(jí)用法的基礎(chǔ)。所以我們理解和學(xué)會(huì)閉包是非常有必要的，千萬(wàn)不能因噎廢食。

其實(shí)并不只是閉包，很多高度抽象的特性都或多或少的有這樣的問(wèn)題。因?yàn)楫?dāng)我們進(jìn)行抽象的時(shí)候，我們固然簡(jiǎn)化了代碼，增加了靈活度，但與此同時(shí)我們也讓學(xué)習(xí)曲線變得陡峭，帶來(lái)了更多我們需要理解和記住的內(nèi)容。本質(zhì)上這也是一個(gè)trade-off，好用的特性需要付出代碼，易學(xué)易用的往往意味著比較死板不夠靈活。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們需要保持心態(tài)，不過(guò)好在初看時(shí)也許有些難以理解，但總體來(lái)說(shuō)閉包還是比較簡(jiǎn)單的，我相信對(duì)你們來(lái)說(shuō)一定不成問(wèn)題。

以上內(nèi)容為大家介紹了Python的函數(shù)式編程與閉包，希望對(duì)大家有所幫助，如果想要了解更多Python相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)關(guān)注IT培訓(xùn)機(jī)構(gòu):千鋒教育。