C#中的函數語言程式設計：序言（一）

D.H_Lee發表於2018-03-13
C#函數程式設計

學了那麼久的函數語言程式設計語言，一直想寫一些相關的文章。經過一段時間的考慮，我決定開這個坑。

至於為什麼選擇C#，在我看來，程式語言分三類：一類是難以進行函數語言程式設計的語言，這類語言包括Java6、C語言等。這類語言由於不支援匿名函式等特性，進行函數語言程式設計會比較困難；一類是自稱“函數語言程式設計語言”的語言，包括Scala、Clojure、F#、Haskell等。這類語言比較重視函數語言程式設計，它的教學資料通常會包含函數語言程式設計知識，因此這些語言的使用者大多也都已經掌握了函數語言程式設計技巧；還有一類程式語言，它們不被稱作函數語言程式設計語言，卻可以進行函數語言程式設計。這些語言的使用者中懂得函數語言程式設計的人相對較少，學習資料也較少提及函數語言程式設計。這些語言包括Java8、C++11、C#、Rust、Kotlin、TypeScript、Python、Ruby等。

既然我的文章是要介紹函數語言程式設計，首先我肯定不能選第一類，它們無法使用；而第二類程式語言的使用者已經掌握了函數語言程式設計的技能。考慮到受眾面，我的選擇範圍定在第三類語言內。最終我通過隨機數選中了C#，如果我有精力我也會嘗試一下其他語言。

說了這麼多，那究竟什麼是函數語言程式設計呢？根據Scala之父Martin Odersky的說法，函數語言程式設計有狹義和廣義之分：狹義的函數語言程式設計指的是表示式沒有副作用的程式設計，滿足這一特性的程式語言有Pure Lisp和不包含IO Monad與Unsafe operations的Haskell子集；而廣義的函數語言程式設計指的是函式是第一公民的語言，這個範圍就大了很多，前面提到的第二類與第三類語言都屬於廣義的函數語言程式設計。

而函數語言程式設計的核心，就和這兩個定義相關：沒有副作用、函式是第一公民。

我們先來看副作用。我記得以前學C語言時有人喜歡用x++ + ++x為例去黑某個人寫的臭名昭著的C語言的書。這個表示式實際上是一種未定義行為。但是，如果我們把它換成(x + 1) + (x + 2)，這個語句就毫無歧義。問題在於x++、++x是有副作用的。如果一個表示式是無副作用的，我們就可以用這個表示式的值替換成它，而程式的行為不會發生改變。我們稱這個性質為引用透明（Referential transparency）。就剛才的例子，假設x的值是3，那麼對於(x + 1) + (x + 2)而言，我們可以把x + 1替換成它的值4，則表示式改寫成4 + (x + 2)，或者把x + 2替換成5而改寫成(x + 1) + 5，這樣的改寫不會改變表示式的值。但是x++ + ++x就不可以，如果我們把x++換成3，那麼表示式的值就會變。所以x++和++x不是引用透明的。

引用透明的一大特性是，我們可以改變引用透明的表示式的執行次序，而不用擔心程式行為的變化。之所以x++ + ++x是未定義行為，是因為x++和++x不是引用透明的，從而導致x++和++x執行的先後順序會影響整個表示式的值。而x + 1和x + 2的先後順序則對錶達式的值沒有影響。這個特性在後面我們會用到。

下面再給一個例子，考慮這段C#程式碼

 1 class Program
 2 {
 3     static void Main()
 4     {
 5         for (int i = 0; i < 10; ++i)
 6         {
 7             System.Threading.Tasks.Task.Factory.StartNew(() =>
 8             {
 9                 System.Threading.Thread.Sleep(100);
10                 System.Console.WriteLine(i);
11             });
12         }
13         System.Console.ReadLine();
14     }
15 }

這段程式碼會輸出什麼？

你可能會以為它會以某種次序輸出數字0到9，但實際輸出是10個數字10.

為了能讓程式輸出數字0到9，我們需要這樣修改程式：

 1 class Program
 2 {
 3     static void Main()
 4     {
 5         for (int i = 0; i < 10; ++i)
 6         {
 7             int _i = i;
 8             System.Threading.Tasks.Task.Factory.StartNew(() =>
 9             {
10                 System.Threading.Thread.Sleep(100);
11                 System.Console.WriteLine(_i);
12             });
13         }
14         System.Console.ReadLine();
15     }
16 }

如果你是JavaScript程式設計師，你可能會對這個策略有所熟悉。這是在迴圈中建立閉包（即使用了外部變數的匿名函式）時常遇到的坑。對於前一個程式，由於迴圈變數的i是變化的，因此i不滿足引用透明，我們不能在建立閉包時就用i的值替換掉i，而由於Sleep語句存在，最終輸出的時候i的值是10。而第二個程式輸出的不是i，而是_i，_i滿足一經初始化後不再被重新賦值，這是一個變數滿足引用透明的重要特徵。此時我們就可以用_i的值替換掉_i，從而程式能輸出數字0~9.

從上面的例子可以看出，使用副作用可能會產生不經意的bug。因此，在函數語言程式設計中，我們會盡量的少產生副作用。比如上面這段程式碼，最完美的方案是用我們後面會提到的尾遞迴。

函數語言程式設計的另一個特點是函式是第一公民。在很多傳統的程式語言中，函式有很多限制，比如我們不能在函式內部定義函式，我們不能建立一個函式型別的變數（注意：C語言的函式指標嚴格來講不算。因為函式指標無法指向帶閉包的函式）、我們不能將函式當成引數傳給一個函式、不能建立一個沒有名字的函式字面量等等。“函式是第一公民”的意思是，函式不應該受這些“歧視”。函式應該和其他型別擁有同等地位。當然，嚴格的滿足函式是第一公民的語言也並不多。C#也是到了7才支援在函式內部建立函式。但對於函數語言程式設計而言，函式至少要有的“權力”包括：建立沒有名字的函式字面量（即匿名函式或Lambda表示式）、將函式作為引數傳給其他引數。

我相信大家都用過Linq吧。Linq就是一個典型的把函式當第一公民的例子。在函數語言程式設計中，我們將深挖函式作為第一公民的價值。

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