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在這篇文章里，你將學(xué)會(huì)什么是函數(shù)范式以及如何使用Python進(jìn)行函數(shù)式編程。你也將了解列表推導(dǎo)和其它形式的推導(dǎo)。

函數(shù)范式

在命令式范式中，通過(guò)為計(jì)算機(jī)提供一系列指令然后執(zhí)行它們來(lái)完成任務(wù)。在執(zhí)行這些指令時(shí)，可以改變某些狀態(tài)。例如，假設(shè)你最初將A設(shè)置為5，然后更改A的值。這時(shí)在變量?jī)?nèi)部值的意義上，你改變了A的狀態(tài)。

在函數(shù)式范式中，你不用告訴計(jì)算機(jī)做什么而是告訴他這個(gè)東西是什么。比如數(shù)字的***公約數(shù)是什么，從1到n的乘積是什么等等。

因此，變量不能變化。一旦你設(shè)置了一個(gè)變量，它就永遠(yuǎn)保持這種狀態(tài)（注意，在純函數(shù)式語(yǔ)言中，它們不是變量）。因此，函數(shù)式編程沒(méi)有副作用。副作用指的是函數(shù)改變它自己以外的東西。讓我們看一些典型Python代碼的示例：

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這段代碼的輸出是5。在函數(shù)式范式中，改變變量是一個(gè)很大的禁忌，并且具有影響其范圍之外事物的功能也是一個(gè)很大的禁忌。函數(shù)唯一能做的就是計(jì)算一些東西并將其作為結(jié)果返回。

現(xiàn)在你可能會(huì)想：“沒(méi)有變量，沒(méi)有副作用？為什么這樣好？“這個(gè)問(wèn)題問(wèn)得好，我相信大多數(shù)人對(duì)此感到疑惑。

如果使用相同的參數(shù)調(diào)用函數(shù)兩次，則保證返回相同的結(jié)果。如果你已經(jīng)學(xué)習(xí)了數(shù)學(xué)函數(shù)，你就會(huì)知道這個(gè)好處。這稱為參照透明度。由于函數(shù)沒(méi)有副作用，如果你正在構(gòu)建一個(gè)計(jì)算某些事情的程序，你可以加速程序。如果每次調(diào)用func(2)都返回3，我們可以將它存儲(chǔ)在表中，這可以防止程序重復(fù)運(yùn)行相同的功能。

通常，在函數(shù)式編程中，我們不使用循環(huán)。我們使用遞歸。遞歸是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，通常意味著“自我調(diào)用”。使用遞歸函數(shù)，該函數(shù)將其自身作為子函數(shù)重復(fù)調(diào)用。這是Python中遞歸函數(shù)的一個(gè)很好的例子：

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有些編程語(yǔ)言也具有惰性。這意味著他們直到***一秒才計(jì)算或做任何事情。如果你編寫(xiě)一些代碼來(lái)執(zhí)行2 + 2，函數(shù)程序只會(huì)在你真正需要使用結(jié)果時(shí)計(jì)算出來(lái)。我們很快就會(huì)在Python中探索惰性。

Map

為了理解，我們先來(lái)看看迭代是什么。通?？梢缘膶?duì)象是列表或數(shù)組，但Python有許多不同的類(lèi)型可以迭代。你甚至可以創(chuàng)建自己的對(duì)象，這些對(duì)象可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)魔術(shù)方法進(jìn)行迭代。魔術(shù)方法就像是一個(gè)API，可以幫助你的對(duì)象變得更加Pythonic。您需要實(shí)現(xiàn)2個(gè)魔術(shù)方法才能使對(duì)象成為可迭代的：

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***個(gè)魔術(shù)方法“__iter__”（注：這里是雙下劃線）返回迭代對(duì)象，這通常在循環(huán)開(kāi)始時(shí)使用?！盻_next__“返回下一個(gè)對(duì)象。

讓我們快速進(jìn)入一個(gè)終端調(diào)用上面的代碼：

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運(yùn)行將會(huì)打印出

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在Python中，迭代器是一個(gè)只有__iter__魔術(shù)方法的對(duì)象。這意味著您可以訪問(wèn)對(duì)象中的位置，但不能遍歷該對(duì)象。一些對(duì)象將具有魔術(shù)方法__next__而不是__iter__魔術(shù)方法，例如集合（在本文后面討論）。對(duì)于本文，我們假設(shè)我們接觸的所有內(nèi)容都是可迭代的對(duì)象。

現(xiàn)在我們知道什么是可迭代對(duì)象了，讓我們回到map函數(shù)。 map函數(shù)允許我們將函數(shù)應(yīng)用于iterable中的每一項(xiàng)。 Map需要2個(gè)輸入，它們分別是要應(yīng)用的函數(shù)和可迭代對(duì)象。

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假設(shè)我們有一個(gè)數(shù)字列表，如下所示：

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我們想要對(duì)每個(gè)數(shù)字進(jìn)行平方，我們可以編寫(xiě)如下代碼：

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Python中函數(shù)式的函數(shù)是具有惰性的。如果我們不使用“l(fā)ist”，該函數(shù)將存儲(chǔ)iterable的定義，而不是列表本身。我們需要明確告訴Python“把它變成一個(gè)列表”供我們使用。

在Python中突然從非惰性求值轉(zhuǎn)向惰性求值有點(diǎn)奇怪。如果你在函數(shù)式思維方式中考慮得更多，而不是命令式思維方式，那么你最終會(huì)習(xí)慣它。

現(xiàn)在寫(xiě)一個(gè)像“square(num)”這樣的普通函數(shù)雖然很好，但卻是不對(duì)的。我們必須定義一個(gè)完整的函數(shù)才能在map中使用它？好吧，我們可以使用lambda（匿名）函數(shù)在map中定義一個(gè)函數(shù)。

Lambda表達(dá)式

lambda表達(dá)式是一個(gè)只有一行的函數(shù)。舉個(gè)例子，這個(gè)lambda表達(dá)式對(duì)給定的數(shù)字進(jìn)行平方：

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讓我們運(yùn)行它：

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這看起來(lái)不像一個(gè)函數(shù)嗎？

嗯，這有點(diǎn)令人困惑，但可以解釋。我們將一些東西分配給變量“square”。那這個(gè)呢：

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告訴Python這是一個(gè)lambda函數(shù)，輸入叫做x。冒號(hào)之后的任何內(nèi)容都是您對(duì)輸入所做的操作，它會(huì)自動(dòng)返回結(jié)果。

簡(jiǎn)化我們的square程序到只有一行代碼，我們可以這樣做：

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所以在lambda表達(dá)式中，所有參數(shù)都在左邊，你要用它們做的東西在右邊。它有點(diǎn)亂。但事實(shí)是，編寫(xiě)只有其他函數(shù)式程序員才能閱讀的代碼會(huì)有一定的樂(lè)趣。此外，使用一個(gè)函數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為一行代碼是非?？岬?。

Reduce

Reduce是一個(gè)將迭代變成一個(gè)東西的函數(shù)。通常，你可以在列表上使用reduce函數(shù)執(zhí)行計(jì)算以將其減少到一個(gè)數(shù)字。 Reduce看起來(lái)像這樣：

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我們經(jīng)常會(huì)使用lambda表達(dá)式作為函數(shù)。

列表的乘積是每個(gè)單獨(dú)的數(shù)字相乘。要做到這一點(diǎn)你將編寫(xiě)如下代碼：

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但是使用reduce你可以這樣寫(xiě)：

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獲得相同的功能，代碼更短，并且在使用函數(shù)式編程的情況下更整潔。（注：reduce函數(shù)在Python3中已不是內(nèi)置函數(shù)，需要從functools模塊中導(dǎo)入）

Filter

filter函數(shù)采用可迭代的方式，并過(guò)濾掉你在該可迭代中不需要的所有內(nèi)容。

通常，filter需要一個(gè)函數(shù)和一個(gè)列表。它將函數(shù)應(yīng)用于列表中的每一項(xiàng)，如果該函數(shù)返回True，則不執(zhí)行任何操作。如果返回False，則從列表中刪除該項(xiàng)。

語(yǔ)法如下：

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讓我們看一個(gè)小例子，沒(méi)有filter我們會(huì)寫(xiě)：

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使用filter，可以這樣寫(xiě)：

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高階函數(shù)

高階函數(shù)可以將函數(shù)作為參數(shù)并返回函數(shù)。一個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子如下：

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第二個(gè)返回函數(shù)的例子：

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開(kāi)頭我說(shuō)過(guò)純函數(shù)式編程語(yǔ)言沒(méi)有變量。更高階的函數(shù)使這變得更容易。

Python中的所有函數(shù)都是一等公民。一等公民被定義為具有以下一個(gè)或多個(gè)特征：

•     在運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建
•     在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中分配變量或元素
•     作為函數(shù)的參數(shù)傳遞
•     作為函數(shù)的結(jié)果返回
•     Python中的所有函數(shù)都可以用作高階函數(shù)。

Partial application

Partial application（也稱為閉包）有點(diǎn)奇怪，但非?？帷Ｄ梢栽诓惶峁┧璧乃袇?shù)的情況下調(diào)用函數(shù)。讓我們?cè)谝粋€(gè)例子中看到這一點(diǎn)。我們想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)函數(shù)，它接受2個(gè)參數(shù)，一個(gè)基數(shù)和一個(gè)指數(shù)，并返回指數(shù)冪的基數(shù)，如下所示：

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現(xiàn)在我們想要一個(gè)專用的平方函數(shù)，使用冪函數(shù)計(jì)算出數(shù)字的平方：

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這有效，但如果我們想要一個(gè)立方體功能呢？或者求四次方的功能呢？我們可以繼續(xù)寫(xiě)下它們嗎？好吧，你可以。但程序員很懶的。如果你一遍又一遍地重復(fù)同樣的事情，這表明有一種更快的方法來(lái)加快速度，這將使你不再重復(fù)。我們可以在這里使用閉包。讓我們看一個(gè)使用閉包的square函數(shù)的示例：

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是不是很酷！我們可以只使用1個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)用需要2個(gè)參數(shù)的函數(shù)。

我們還可以使用一個(gè)循環(huán)來(lái)生成一個(gè)冪函數(shù)，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)從立方體一直到1000的冪。

???

函數(shù)式編程不是pythonic

您可能已經(jīng)注意到了，我們想要在函數(shù)式編程中做的很多事情都圍繞著列表。除了reduce函數(shù)和閉包之外，您看到的所有函數(shù)都會(huì)生成列表。 Guido（Python之父）不喜歡Python中的函數(shù)式，因?yàn)镻ython已經(jīng)有了自己生成列表的方法。

如果你在Python的交互環(huán)境下寫(xiě)入”import this“，你將會(huì)得到：

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這是Python之禪。這是一首關(guān)于Pythonic意味著什么的詩(shī)。我們想要涉及的部分是：

There should be one — and preferably only one — obvious way to do it.（應(yīng)該盡量找到一種，***是唯一一種明顯的解決方案）

在Python中，map和filter可以執(zhí)行與列表推導(dǎo)（下面討論）相同的操作。這打破了Python之禪的一個(gè)規(guī)則，因此函數(shù)式編程的這些部分不被視為“pythonic”。

另一個(gè)話題是Lambda。在Python中，lambda函數(shù)是一個(gè)普通函數(shù)。 Lambda是語(yǔ)法糖。這兩種說(shuō)法是等價(jià)的。

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普通函數(shù)可以執(zhí)行l(wèi)ambda函數(shù)可以執(zhí)行的所有操作，但它不能以相反的方式工作。 lambda函數(shù)不能完成普通函數(shù)可以執(zhí)行的所有操作。

這是一個(gè)簡(jiǎn)短的論證，為什么函數(shù)式編程不能很好地適應(yīng)整個(gè)Python生態(tài)系統(tǒng)。你可能已經(jīng)注意到我之前提到了列表推導(dǎo)，我們現(xiàn)在將討論它們。

列表推導(dǎo)

前面，我提到過(guò)你可以用map或filter做的任何事情，你可以用列表推導(dǎo)。列表推導(dǎo)是一種在Python中生成列表的方法。語(yǔ)法是：

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讓我們對(duì)列表中的每個(gè)數(shù)字進(jìn)行平方，例如：

?[[250871]]??

我們可以看到如何將函數(shù)應(yīng)用于列表中的每一項(xiàng)。我們?nèi)绾螒?yīng)用filter呢？看看前面的代碼：

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我們可以將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)列表推導(dǎo)，像這樣：

???

列表支持if這樣的語(yǔ)句。您不再需要將一百萬(wàn)個(gè)函數(shù)應(yīng)用于某些東西以獲得您想要的東西。事實(shí)上，如果你想嘗試生成某種列表，那么使用列表推導(dǎo)看起來(lái)會(huì)更清晰，更容易。如果我們想要將列表中每個(gè)0以下的數(shù)字平方怎么辦？有了lambda，map和filter你會(huì)寫(xiě)：

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這似乎很長(zhǎng)很復(fù)雜。通過(guò)列表推導(dǎo)，它只是：

???

列表推導(dǎo)僅適用于列表。map,filter適合任何可迭代的對(duì)象，那么這有什么用呢？你可以對(duì)你遇到的任何可迭代對(duì)象使用任何推導(dǎo)。

其他推導(dǎo)

你可以為任何可迭代對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)推導(dǎo)。

可以使用推導(dǎo)生成任何可迭代的對(duì)象。從Python 2.7開(kāi)始，您甚至可以生成字典（hashmap）。

如果它是可迭代的，則可以生成它。讓我們看一下***一組的例子。

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•     set是一個(gè)元素列表，在該列表中沒(méi)有元素重復(fù)兩次。
•     set中的元素沒(méi)有順序。

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您可能會(huì)注意到set（集合）與dict（字典）具有相同的花括號(hào)。 Python非常聰明。根據(jù)你是否為dict提供值，它會(huì)知道你是在寫(xiě)dict推導(dǎo)還是set推導(dǎo)。

總結(jié)

函數(shù)式編程美觀而純粹。函數(shù)式代碼可以很干凈，但也可能很亂。一些Python程序員不喜歡Python中的函數(shù)式編程。但我認(rèn)為，你應(yīng)該在解決問(wèn)題時(shí)，使用***工具。