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不可变 ​

函数式编程的四个概念 ​

函数式的世界围绕四个基本概念展开：常量、纯函数、变量、脏函数。要理解这些概念，需要先建立对生命周期和作用域的认知。

  • 生命周期：在程序运行期间，一个对象或者数据从创建到销毁的那一段时间。创建 -> 读取* n / 更新* n -> 销毁，（6 个 hook）。常量只会经历创建、读取和销毁，而变量会经历更新。
  • 作用域：全局作用域和局部作用域，全局作用域对程序的所有部分可见，生命周期贯穿整个程序运行期间，一次程序运行期间只会被展开一次，由此导致了其作用域中的状态只能经历一次创建和销毁；局部作用域对某个部分的程序和代码可见。
  • 所有权：状态具有所有权归属，往往是声明这个状态的最近一级作用域拥有其所有权。作用域需要资源的释放。
  • 副作用：一个函数在运行的时候，与外界发生了交互，对外界产生了影响。

基于这些基础概念，函数式编程对变量的使用提出了明确约束：

  • 优先使用常量而非变量，避免使用全局变量（只有常量才能全局）;
  • 当需要改变值时，销毁旧值并创建新值；
  • 程序中的函数应当尽可能保持纯净；

常量 ​

常量是指一经创建就不再改变值的量，具有可确定性、可复用性和可组合性，这些特性使其适合被放置在全局作用域中，拥有广泛的可见性和较长的生命周期。在实际工程中，合理使用常量可以减少状态管理的复杂度，让程序的行为更加可预测。

纯函数 ​

纯函数是函数式编程的核心概念，它接受输入并返回输出，输出仅依赖于输入参数而不受外部状态影响。相同的输入永远产生相同的输出，这种一一对应关系赋予纯函数纯洁性、可复用性、可组合性、可测试性和高可维护性，使其适合放置在全局作用域中拥有广泛的可见性和较长的生命周期。

纯函数的优势：

  • 可确定性：具有可控的行为和确定的输入输出；这使得程序员可以轻松地理解和预测纯函数的行为，便于使用和维护；
  • 可测试性：不依赖于外界环境，可以方便地测试；而脏函数，在测试前需要对环境进行初始化，测试后需要对环境进行清理，增加了测试的复杂度；
  • 可移植性和可复用性：不依赖外界环境，可以轻松移植到不同的平台，这里说的外界环境，包括全局变量、IO操作、网络请求等常见的程序操作；同时，由于依赖少，可以轻松地被复用，减少了代码的重复性；
  • 可重入性和可并行性：不会改变外部状态，可以随意并行，简化了多线程编程的难度；同时，可重入性，带来了响应式编程的便利性，因为要无痛响应，保持函数行为的可控是一个重要前提；
  • 可缓存性：可以轻松进行缓存，主要用于耗时任务，加快程序的速度；

变量 ​

变量是相对于常量而言的概念，具有不确定性和 update 生命周期，在函数式编程中通常被称为状态。在大型的应用程序中，程序的复杂性往往因为变量的不可控而大大增加。

当我们需要对变量进行操作时，由于变量的不确定性，必须先校验变量的合法性才能执行操作。当一个程序依赖多个变量时，校验的复杂度会随之飙升，而当多个程序模块共享变量时，每个模块都需要重复进行校验。更复杂的是，当变量之间存在依赖关系时，一个或多个变量的变化会引发连锁反应，同步依赖变量的状态变化成为复杂而繁琐的问题，在多线程环境下还可能引入资源竞争问题。

因此，工程实践中应当尽量缩短变量的生命周期，限制其作用域，从而降低程序复杂度并保证可维护性。对于变量间的依赖同步问题，响应式编程提供了有效的解决方案。

脏函数 ​

脏函数是相对于纯函数而言的概念，如果一个函数与外界发生交互并造成了意想不到的影响，就称为脏函数或副作用。副作用主要通过四种途径产生：

  • 函数直接依赖或引用了外部作用域中的变量，从而形成了隐式参数；
  • 函数通过传入的参数指针修改了指针指向的数据，从而对其参数进行了修改；
  • 函数执行了 IO 操作，如读写文件、网络请求等，其本质是修改外界数据的状态；
  • 调用了其他脏函数（脏函数的传染性）；

总结下来，脏函数主要有三种类型：隐参函数、写参函数和 IO 函数。

JS 中的隐性副作用

除去一些常见的副作用，JS 中有一些隐性副作用可能会被忽略，如：

  1. async/await 和 Promise 的使用；
  2. setTimeout、setInterval 的使用；
  3. Math.random() 和 Date.now() 的使用；
  4. console.log() 的使用；
  5. 多数 Web API 的使用；
  6. ......

状态管理 ​

对于变量而言，我们无法完全避免其副作用，但可以通过一些手段来减少副作用的影响范围，从而降低程序复杂度并保证程序的可维护性。状态管理就是致力于解决这个问题的方案，其核心思路是使用容器维护变量的生命周期，并向下游提供统一的API，下游不再直接操作数据而是通过状态管理容器的API来访问。

IO 处理 ​

程序与外界交互时不可避免会产生副作用，IO处理提供了将这些副作用隔离和管理的机制。通过声明式IO和响应式编程，我们可以将IO操作转化为状态修改的操作，使用统一的编码模型去管理IO和状态。

脏函数和副作用 ​

在程序设计中，我们无法完全避免副作用，但可以通过一些手段来减少副作用的影响范围，从而降低程序复杂度并保证可维护性。程序的入口函数main通常是一个脏函数，它接受输入、调用函数并输出结果，一个程序最理想的状态是除了main函数外，其他函数都是纯函数。

脏函数的延迟执行 ​

脏函数在不被调用之前可以认为是无害的，但一旦被调用就会产生副作用。函数式编程并非要完全消除副作用，而是将副作用局限在尽可能小的范围内，或将副作用的发生延迟到尽可能后期，最迟是在用户输入数据（前端）或对外界进行访问（后端）的时候，因为此时发生的副作用是无可避免的。我们可以采用惰性求值和声明式副作用来延迟副作用的发生。

js
// Dirty
function readFile(path) {
  return fs.readFileSync(path, 'utf-8');
}

// Pure
function readFile(path) {
  return (env) => {
    fs.readFileSync(path, env.encoding);
  }
}

// ReadAction
// 将 read 这个 IO 动作抽象为一个数据结构或者说是配置，使用纯函数定义配置
function ReadAction(path) {
  return {
    path: path,
    encoding : 'utf-8',
  }
}

// 使用接受某种配置，然后执行一个 IO 操作的执行器
function executeAction(action) {
  return fs.readFileSync(action.path, action.encoding);
}

脏函数的可原谅性 ​

在实际开发中，我们无法完全避免副作用，但可以选择原谅一些副作用以获得更高的开发自由度。

  1. 私有闭包，一个闭包函数独享了一个外部变量，这个外部变量除了这个函数，其他函数都不能访问。可以认为这个外部变量是函数私有的，这个副作用是可原谅的；典型例子：随机数生成器、节流函数、单例函数、函数缓存；在 JS 中，由于是单线程的，所以私有闭包不需要考虑并发问题；
  2. 局部变量，如果一个函数在内部创建了一个变量，即拥有一个变量的创造权，可以认为这是在初始化阶段，那么在函数的内部修改该变量或者调用写参函数修改它，不会被传染；
  3. 独立 IO，在函数中，调用了一些独立性较强的 IO 模块，这些模块对程序的主体功能没有直接影响，并且不会抛出错误，如日志打印、调试信息等，这些方法往往独立于程序的主体逻辑，不容易增加程序的逻辑复杂度，这些副作用是可原谅的；