Kotlin 函式與函數語言程式設計淺析

自從Google爸爸宣佈Kotlin為自己的乾兒子之後，Kotlin被各大社群炒的火熱。

如果你對Kotlin語法一無所知，推薦先閱讀官方文件或者中文站（https://www.kotlincn.net/docs/reference/）之後再看這篇文章會有更深刻的理解。本篇文章主要介紹Kotlin函式的用法，以及自己對函數語言程式設計的一些理解。並且會和Python，C++做一些比較。

下面是維基百科上對於函數語言程式設計的定義：

函數語言程式設計（英語：functional programming）或稱函式程式設計，又稱泛函程式設計，是一種程式設計範型，它將電腦運算視為數學上的函式計算，並且避免使用程式狀態以及易變物件。函式程式語言最重要的基礎是λ演算（lambda calculus）。而且λ演算的函式可以接受函式當作輸入（引數）和輸出（傳出值）。

下面是關於高階函式的定義：

在數學和電腦科學中，高階函式是至少滿足下列一個條件的函式：接受一個或多個函式作為輸入，輸出一個函式

不難推斷出函數語言程式設計最重要的基礎是高階函式。也就是支援函式可以接受函式當作輸入（引數）和輸出（傳出值）。

函式作為Kotlin中的一級公民可以像其他物件一樣作為函式的輸入與輸出，這也就是Java程式設計師轉到Kotlin覺得變化最大，最難理解的一點。如果你之前學過Python或者C++11可能會對此比較容易接受。這也是為什麼本文以介紹Kotlin的函式及函數語言程式設計為主。

Kotlin 函式

下面是Kotlin中一般的函式定義，和Java不同的是函式形參，返回值型別置後。函式體可以用等號賦值給函式定義，這裡也可以看出函式和變數的平等性。

fun main(args: Array) {
    var s = sum(1,2)
    var m = multi(2,3)
    var x = maxOf(3,4)
}

fun sum(a: Int, b: Int): Int {
    return a + b
}

fun multi(a: Int, b: Int): Int = a * b

fun maxOf(a: Int, b: Int): Int = if (a > b) a else b

另外Kotlin還支援函式預設引數，擴充函式，中綴表示式，下面是簡單的例子：

fun main(args: Array) {
    isBiggerThan(2)
    isBiggerThan(2, 5)
    var s = "a".isLetter()
    var a = 1 add 2
}

fun isBiggerThan(a: Int, b: Int = 0) {
    return a > b
}

//擴充函式
fun String.isLetter(): Boolean {
    return matches(Regex("^[a-z|A-Z]$"))
}

//擴充函式，中綴表示式
infix fun Int.add(x: Int): Int {
    return this + x
}

支援預設引數的函式可以減小函式的過載。

String物件中本沒有判斷是否是字母的方法，在Java中我們一般會定義一些Utils方法，而在Kotlin中可以定義類的擴充函式。
第二個例子是給Int類定義了一個擴充函式，並且該擴充函式以中綴表示式表示，給予了開發者定義類似關鍵字的權利。

比如我們可以這樣建立一個map物件：

val kv = mapOf("a" to 1, "b" to 2)

這裡的to就是一箇中綴表示式，定義如下：

public infix fun<A, B> A.to(that: B): Pair<A, B> = Pair(this, that)

Pair就是Map中存的物件，所以你也可以這樣建立

val kv = mapOf(Pair("a", 1), Pair("b", 2))

在Python中如果我們想讓函式返回多個值，可以返回一個元組，Kotlin基於解構原則也可以實現類似的功能：

fun main(args: Array) {
    val (index, count) = findWhere("abcabcabcabc", 'c')
}

fun findWhere(str: String, findChar: Char): Pair<Int, Int> {
    var index = -1
    var count = 0
    for ((i, v) in str.withIndex()) {
        if (v == findChar) {
            if (index == -1) {
                index = i
            }
            ++count
        }
    }
    return Pair(index, count)
}

自定義物件如何支援解構請檢視官方文件，map支援解構，所以可以像下面這樣遍歷：

for ((k, v) in map) {
    print("$k -> $v, ")
}

高階函式與 Lambda 表示式

“Lambda 表示式”(lambda expression)是一個匿名函式，Lambda表示式基於數學中的λ演算得名，直接對應於其中的lambda抽象(lambda abstraction)，是一個匿名函式，即沒有函式名的函式。Lambda表示式可以表示閉包（注意和數學傳統意義上的不同）。

Python中的lambda表示式：

add = lambda x, y:x+y

C++中的lambda：

[](int x, int y) -> int{ return x + y; }

Kotlin中的lambda:

var add = {x: Int, y: Int -> x + y}

Kotlin 作為一個強型別語言還是比較簡潔的。

我們可以這樣使用一個lambda表示式：

fun main(args: Array) {
val sumLambda = {a: Int, b: Int -> a + b}
sumLambda(1, 2)
}

它可以像函式一樣使用()呼叫，在kotlin中操作符是可以過載的，()操作符對應的就是類的過載函式invoke()。

你還可以想下面這樣定義一個變數：

val numFun: (a: Int, b: Int) -> Int

它不是一個普通的變數，它必須指向一個函式，並且函式簽名必須一致：

fun main(args: Array) {
    val sumLambda = {a: Int, b: Int -> a + b}
    var numFun: (a: Int, b: Int) -> Int
    numFun = {a: Int, b: Int -> a + b}
    numFun = sumLambda
    numFun = ::sum
    numFun(1,2)
}

fun sum(a: Int, b: Int): Int {
    return a + b
}

可以看到這個變數可以等於一個lambda表示式，也可以等於另一個lambda表示式變數，還可以等於一個普通函式，但是在函式名前需要加上(::)來獲取函式引用。

這個類似C++中的函式指標，然而在Python中可以直接使用函式名作為函式引用，下面是c++函式指標的例子：

#include 

using namespace std;

void swap(int &x, int &y);

int main(int arg, char* args[]) {
	int x = 10;
	int y = 20;

	void (*methodPtr)(int &x, int &y);//宣告一個函式指標
	methodPtr = &swap; //函式指標賦值
	methodPtr = swap;//取地址符可省略,效果和上面一致
	methodPtr(x, y); //像給函式起了一個別名，可以直接使用（）呼叫
	cout << "x:" << x << " y:" << y << endl; //x:20 y:10
}

void swap(int &x, int &y) {
	int tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

回到Kotlin，我們還可以將一個函式傳遞給另一個函式，比如：

//函式引數
fun  doMap(list: List, function: (it: T) -> Any) {
    for (item in list) {
        function(item)
    }
}

val strList = listOf("h" ,"e", "1", "a", "b", "2", " ", "", "c", "5", "7", "F")
doMap(strList, {item ->print("item: ${upperLetter(item)}, ") })

fun upperLetter(item: String): String {
    if (item.isLetter()) {
        return item.toUpperCase()
    }
    return item
}

第二個引數直接傳進去了一個lambda表示式，當然也可以傳一個函式引用：

val strList = listOf("h" ,"e", "1", "a", "b", "2", " ", "", "c", "5", "7", "F")
doMap(strList, ::printUpperLetter)

fun printUpperLetter(item: String) {
    print("item: ${upperLetter(item)}, ")
}

fun upperLetter(item: String): String {
    if (item.isLetter()) {
        return item.toUpperCase()
    }
    return item
}

效果和上面的程式碼一樣。

在C++中使用函式指標可以實現類似的效果：

using namespace std;

void mMap(vector list, void (*fun)(int item));

int main(int arg, char* args[]) {
	vector list = {2,3,4,3,2,1,2};
	mMap(list, [](int item) -> void { cout << item << endl; });
}

void mMap(vector list, void (*fun)(int item)) {
	for(int it : list) {
	    fun(it);
	}
}

再次回到Kotlin，如果函式作為入參在入參列表的最後一個，你還可以這樣做，直接寫在大括號內：

fun main(args: Array) {
    log { sum(1,2) }
}

fun  log(function: () -> T) {
    val result = function()
    println("result -> $result")
}

是不是有點像gradle配置檔案的寫法，所以Kotlin可以很方便的編寫 領域專用語言(DSL)

另外Kotlin還支援區域性函式和函式作為返回值，看下面的程式碼：

fun main(args: Array) {
    val addResult = lateAdd(2, 4)
    addResult()
}
//區域性函式，函式引用
fun lateAdd(a: Int, b: Int): Function0 {
    fun add(): Int {
        return a + b
    }
    return ::add
}

在lateAdd內部定義了一個區域性函式，最後返回了該區域性函式的引用，對結果使用()操作符拿到最終的結果，達到延遲計算的目的。

函式作為一級公民當然可以像普通物件一樣放進map中，比如下面這樣：

val funs = mapOf("sum" to ::sum)
val mapFun = funs["sum"]
if (mapFun != null) {
   val result = mapFun(1,2)
   println("sum result -> $result")
}

fun sum(a: Int, b: Int): Int {
    return a + b
}

將一個函式引用作為value放進了map中，取出來之後使用()操作符呼叫，可以簡化一些if,else的場景。

基於以上函數語言程式設計的特性，Kotlin可以像RxJava一樣很方便的進行相應式程式設計，比如：

fun printUpperLetter(list: List) {
    list
            .filter (fun(item):Boolean {
                return item.isNotEmpty()
            })
            .filter { item -> item.isNotBlank()}
            .filter {
                item ->
                if (item.isNullOrEmpty()) {
                    return@filter false
                }
                return@filter item.matches(Regex("^[a-z|A-Z]$"))
            }
            .filter { it.isLetter() }
            .map(String::toUpperCase)
            .sortedBy { it }
            .forEach { print("$it, ") }
    println()
}

上面的程式碼只是做演示，並無實際意義。具體語法請檢視官方文件。

我相信Kotlin作為一種強型別的現代化語言可以在保證穩定性的同時極大地提高開發者的開發效率。