函数式思维: 函数设计模式，第 1 部分

函数世界中的一些经验主义者认为设计模式的概念有缺陷，在函数式编程中不需要。在模式?的狭义解释下该观点可能成立，但这是一个更多关于语义而非使用的论点。设计模式的概念（针对常见问题的指定编目解决方案）是合理的。但是，模式有时在不同的范式下以不同的形式出现。因为构建块和问题解决方法在函数世界中是不同的，一些传统的 Gang of Four 模式（参阅?参考资料）消失了，而其他模式存在问题，但解决问题的方式大相径庭。本期和下一期将研究一些传统的设计模式，并以函数式思维从全新角度来思考它们。

在函数编程领域，传统设计模式通常以三种方式之一表现：

• 模式由语言吸收。
• 模式解决方案仍然存在于函数范式中，但是实现细节有所不同。
• 解决方案使用其他语言或范式缺乏的功能实现。（例如，许多使用元编程的解决方案简洁且优雅，但无法通过 Java 实现。）

  我会依次研究这三种情况，在本期中从一些熟悉的模式入手，大部分模式全部或部分地纳入现代语言。

  工厂和局部套用（currying）

  局部套用 (Currying)?是许多函数语言的一种特性。它是以数学家 Haskell Curry 的名字命名的（Haskell 编程语言也是以该数学家命名），能够对多参数函数进行转换，以便将它用作一串单参数函数进行调用。与此密切相关的是部分应用 (partial application)，该技术可以将固定值分配给函数的一个或多个参数，从而生成另一个更小的元数 (arity)?函数（元数是函数参数的个数）。我在 “函数式思维：运用函数式思维，第 3 部分” 中讨论过这两种技术。

  在设计模式上下文中，局部套用充当一个函数工厂。函数式编程语言中的一个常见特性是一等（first-class）（或高阶）函数，它允许函数充当任何其他数据结构。多亏这一特性，我可以轻松创建基于一些条件返回其他函数的函数，这就是工厂的精髓。例如，如果您有一个将两个数字相加的通用函数，您可以将局部套用用作一个工厂来创建总是将其参数加 1 的函数，即一个增量器，如清单 1 所示，使用 Groovy 语言实现：

  
  清单 1. 局部套用作为函数工厂
  

  
  在?清单 1?中，我将第一个参数局部套用为?1，返回一个接受单一参数的函数。本质上，我创建了一个函数工厂。
  当您的语言本机支持这种行为时，它往往被用作其他大小对象的构建块。例如，看看如清单 2 所示的 Scala 示例：
  
  清单 2. Scala 对局部套用的 “随意” 使用
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  一等函数（First-class）和设计模式
  一等函数大大简化了许多常用的设计模式。（命令设计模式甚至消失了，因为您不再需要一个针对可移植功能的对象包装器。）
  模板方法
  一等函数使模板方法设计模式（参阅?参考资料）更易于实现，因为它们能够移除可能不需要的结构。模板方法定义一个方法中算法的框架，把一些步骤委托给子类，并强制他们在不更改算法结构的情况下定义这些步骤。模板方法的典型实现如清单 3 所示，使用 Groovy 实现：
  
  清单 3. 模板方法的 “标准” 实现
  
  在?清单 4?中，算法中的步骤只是类的属性，像任何其他属性一样是可分配的。在这个示例中，语言特性主要地吸收实现细节。将这一模式看作一个问题的解决方案（把步骤委派给后续的处理程序）仍然很有用，不过实现起来比较简单。
  两种解决方案不是等同的。在?清单 3?中的 “传统” 模板方法示例中，抽象类需要子类来实现依赖的方法。当然，子类可能仅创建一个空的方法体，不过抽象方法定义形成一种文档，提醒 subclasser 将其考虑在内。另一方面，死板的方法声明可能不适合于需要更多灵活性的情景中。例如，我可以创建我的?Customer?类的一个版本，该类接受任何方法列表以供进行处理。
  对代码块等功能的深度支持使语言更具有开发人员友好性。考虑这样一种情况，比如您想让 subclasser 跳过一些步骤。Groovy 有一种特殊的受保护访问运算符 (?.)，该运算符确保在调用一个对象的方法前该对象不为空。考虑清单 5 中的?process()?定义：
  
  清单 5. 添加对代码块调用的保护
  策略
  一等函数简化的另一种流行设计模式是策略模式。策略定义一系列算法，封装每一种算法并使它们能够进行互换。它允许算法随使用它的客户不同而有所不同。一等函数使得构建和操作策略更简单。
  用于计算产品数目的策略设计模式的一种传统实现如清单 6 所示：
  
  清单 6. 为具有两个数目的产品使用策略设计模式
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  享元 (Flyweight) 和内存化 (memoization)
  享元模式是一种使用共享来支持大量细粒度对象引用的优化技术。您要保持对象池可用，为特定视图创建到该池的引用。享元使用一种规范对象（canonical object）?的思想，即一种表示该类型中所有其他对象的代表性对象。例如，您有一个特定的消费产品，产品的规范版本表示该类型的所有产品。在一个应用程序中，不要为每个用户创建一个产品列表，而要创建一个规范产品列表，每个用户拥有对他们产品列表的引用。
  考虑清单 9 中建模计算机类型的类：
  
  清单 9. 建模计算机类型的简单类
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  结束语
  在本期中，我介绍了设计模式的语义在函数式编程中表现的三种方式。首先，它们可以被语言或运行时吸收。我使用工厂、策略、单例和模板方法模式展示了相关示例。其次，模式可保留其语义，但具有完全不同的实现；我展示了使用类和使用内存化的享元模式示例。第三，函数语言和运行时可以有完全不同的特性，从而支持它们以完全不同的方式解决问题。
  在下一期，我将继续研究设计模式和函数式编程的交叉，并展示第三种方法的示例。