本文由 Yison 發表在 ScalaCool 團隊部落格。
如果你看到一個開源類庫，logo 是四隻貓 + 五個箭頭，可能會略感不適 — 這是工程程式碼裡可以使用的玩意兒嗎？
沒錯，這是 TypeLevel 設計的一個函式式類庫，一群推崇函數語言程式設計的傢伙注入到 Scala 生態中的重磅炸彈，它是 Cats，源於 Category（範疇）的縮寫。
在 水滴 的系統中，我們大規模使用了 Cats 來解決一些業務問題，並且從中受益。但顯然這並不是 Scala 標準庫所支援的打法，所以本系列旨在系統地介紹這個類庫，讓更多人瞭解它。
我們最開始使用的是 Scalaz，它是 Cats 的前身，由於語法問題導致很多吐槽，之後採用 Cats 替代。
當然，很多瞭解過 Cats 的人知道，關於它已經有以下這些優秀的學習資料：
- herding cats，同樣也是 learning scalaz 的作者。
- Scala with Cats Book，出自 underscore.io
但顯然，如果之前並沒有函數語言程式設計經驗的同學，可能會在首次閱讀這些資料的時候犯困。因此，該系列希望在正式介紹 Cats 這個神器之前，先友好地探討一些關於「函數語言程式設計」的基本問題。如：
- 什麼是函數語言程式設計
- 函數語言程式設計有哪些特點
- 函數語言程式設計有哪些優點
函數語言程式設計？
那麼，什麼才是函數語言程式設計呢？其實，關於這點並沒有準確權威的定義，本文也不想就此給出一個答案。
但是，我們希望來討論下什麼是「函數語言程式設計思維」，它跟我們熟知的「指令式程式設計」到底有哪些不同。
經常上知乎的朋友發現了，這是知乎上一個非常好的問題。
本文推薦以下的回答：
@nameoverflow:
函數語言程式設計關心資料的對映，指令式程式設計關心解決問題的步驟。
更數學化的版本：
@parker liu
函數語言程式設計關心型別（代數結構）之間的關係，指令式程式設計關心解決問題的步驟。
總結
函數語言程式設計的思維就是如何將型別（代數結構）之間的關係組合起來，用數學的構造主義構造出你設計的程式。
疑問
我們來解剖這個結論，直觀上函數語言程式設計是一件非常簡單的事情，我們只需做一件事情就夠了，那就是「組合」。
但此時，我們肯定又變得一頭霧水，以下問題緊接著就來了：
- 真的有這麼簡單嗎？
- 到底什麼是「組合」呢？
- 在理論上，它真能做到完備性嗎？
- 什麼才是所謂的「關係」呢？
別急，我們先來討論一個基本的問題 — 什麼是過程和資料？
過程和資料
看過 SICP 的朋友肯定已經發現，這是這本書第一章和第二章所研究的內容。
簡單來說，資料是一種我們希望去操作的東西，而過程就是有關操作這些資料的規則的描述。它們構成了程式設計的基本元素。
在 Lisp 這種函數語言程式設計語言中，過程和資料一樣，屬於第一級狀態，這也就意味著：
- 可以用變數命名
- 可以提供給過程作為引數
- 可以作為過程的結果返回
- 可以包含在其它的資料結構中
舉個例子，我們可以定義一個過程，它接受的引數是一個過程，返回的是另外一個過程，這似乎看起來有點怪。
換個例子，定義一個過程，它接受的引數是一個數，返回的是另外一個數，這是不是就熟悉多了？
在函數語言程式設計中，我們會發現其實「過程」和「資料」的界限有時候是模糊的。也就是說，有時我們可以把它們當作一個東西。
回到我們剛才的結論：「函數語言程式設計關心型別（代數結構）之間的關係」。
我們於是可以這麼理解，函數語言程式設計要解決的第一個問題：就是需要足夠高的抽象能力，能對各種資料和過程進行抽象，提供型別（代數結構）。
這也同樣是後續我們在學習 Cats 過程中要獲得解答的一個疑問，它是如何幫助我們實現這一點。
推薦閱讀 @shaw 寫的 如何在 Scala 中利用 ADT 良好地組織業務
圖靈完備與 Lambda 演算
其次，我們再來討論下，到底什麼是所謂的「關係」?
我們肯定有這樣子的疑惑，如果函數語言程式設計思維僅靠「組合」就能夠描述所有的程式，那麼在理論上它必須具備完備性。
不少朋友知道所謂的 [圖靈完備](Turing completeness)。它聽起來逼格很高，其實這是一個很簡單的概念，意味著用圖靈機能做到的所有事情，可以解決所有的可計算問題。
另外一個可支援解決所有可計算問題的方案就是「Lambda 演算」。在 Lisp 這種函數語言程式設計語言中的基石，就是這個理論。
函數語言程式設計中的 lambda 可以看成是兩個型別之間的關係，一個輸入型別和一個輸出型別。lambda 演算就是給 lambda 表示式一個輸入型別的值，則可以得到一個輸出型別的值，這是一個計算，計算過程滿足 alpha -等價和 eta -規約。
關於圖靈完備和 Lambda 演算，有機會我們可以在後續的文章中繼續討論。
面向組合子程式設計
我們再來聊聊核心，所謂的「組合」。
「面向組合子程式設計」是十年前 javaeye 的牛人 @Ajoo 提出的概念。
首先，我們可以引用哲學的基本方法來比喻我們常見的「物件導向程式設計」與「面向組合子程式設計」差異。
前者是歸納法，後者是演繹法。
也就說，我們在用 Java 這些物件導向的語言進行程式設計的時候，通常採用的是總結的方法，然而函數語言程式設計語言提倡的「組合」，更貼近數學的思維，它是一種推導。
所以，函數語言程式設計所關心的組合，更多做的是先高度抽象型別關係，然後對這些關係的轉化，所謂的 transformer。
於是，我們得出第二個關鍵的問題：即 Cats 如何提供足夠的 transformer，來幫助我們實現各種關係之間的組合。
舉例
對於第一次接觸這些概念的朋友來說，還是有點抽象，下面我們來舉一個實際的例子來加深認識。
假設我們現在要設計一個抽獎活動的參與過程，涉及以下邏輯：
- 獲取活動獎品資料
- 判斷活動的開始、進行、結束、獎品是否搶光等狀態
命令式風格
import org.joda.time.DateTime
import scala.concurrent.Future
case class Activity(id: Long, start: DateTime, end: DateTime)
case class Prize(id: Long, name: String, count: Int)
val activity = syncGetActivity()
val prizes = syncGetPrizes(activity.id)
if (activity.start.isBefore(DateTime.now())) {
println("activity not starts")
} else if (activity.end.isBefore(DateTime.now())) {
println("activity ends")
} else if (prizes.map(_.count).sum < 1) {
println("activity has no prizes")
} else {
println("activity is running")
}
複製程式碼函式式風格
import org.joda.time.DateTime
import scala.concurrent.Future
case class Activity(id: Long, start: DateTime, end: DateTime)
case class Prize(id: Long, name: String, count: Int)
sealed trait ActivityStatus {
val activity: Activity
val prizes: Seq[Prize]
}
case class ActivityNotStarts(activity: Activity, prizes: Seq[Prize]) extends ActivityStatus
case class ActivityEnds(activity: Activity, prizes: Seq[Prize]) extends ActivityStatus
case class ActivityPrizeEmpty(activity: Activity, prizes: Seq[Prize]) extends ActivityStatus
case class ActivityRunning(activity: Activity, prizes: Seq[Prize]) extends ActivityStatus
def getActivityStatus(): Future[ActivityStatus] = {
for {
activity <- asyncGetActivity()
prizes <- asyncGetPrizes(activity.id)
} yield (activity, prizes) match {
case (a, pzs) if a.start.isBefore(DateTime.now()) => ActivityNotStarts(a, pzs)
case (a, pzs) if a.end.isBefore(DateTime.now()) => ActivityNotStarts(a, pzs)
case (a, pzs) if pzs.map(_.count).sum < 1 => ActivityPrizeEmpty(a, pzs)
case (a, pzs) => ActivityRunning(a, pzs)
}
}
複製程式碼以上，我們可以發現函式式風格，會傾向於基於更高的業務層次進行抽象，直覺上是一個 describe what 的設計，而不是 how to do。
值得一提的是，asyncGetActivity 這個從資料庫非同步獲取活動資料過程，它的型別是一個高階型別 Future[Activity]，這也就是我們之前提到的對過程進行抽象，定義型別。
通過對 asyncGetActivity 和 asyncGetPrizes 兩個非同步過程的組合，我們最終轉化得到了 ActivityStatus 這個型別的物件結果。
總結
Scala 是一門結合「物件導向」和「函式式」的程式語言，我們用它可以寫出截然不同的程式碼風格。很多人把它當作 better Java 來使用，但如果結合 Cats 這個函式式類庫，我們就可以更好地採用函數語言程式設計思維來設計程式，從而發揮 Scala 更大的威力。
通過該篇文章，我們對函數語言程式設計有了直覺上的感受。當然，你可能依舊雲裡霧裡，不要緊，我們會在後續的文章裡進一步的討論。在下一篇文章中，我們會介紹下函數語言程式設計所帶來的優勢。