艾均 蘇湛

摘要：函數(shù)式編程語言及函數(shù)特性在工業(yè)界逐漸流行，函數(shù)式編程語言教學具有重要的理論與現(xiàn)實意義。以提高教學質(zhì)量為目的，通過仔細分析默認不可變、高階函數(shù)、模式匹配、數(shù)據(jù)與函數(shù)解耦等編程語言特征，采用討論對比與實踐方法，研究函數(shù)式編程語言教學方法，對學生編程思維進行訓(xùn)練，并對未來編程技術(shù)發(fā)展趨勢進行分析。采用實例編程教學與不同語言對比相結(jié)合的方法，使《函數(shù)式編程語言》教學質(zhì)量得到有效提升。

關(guān)鍵詞：F#;函數(shù)式編程;編程實踐;教學特點;教學內(nèi)容組織

DOI：10.11907/ejdk.191325開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G433文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）010-0201-03

0引言

函數(shù)式編程范式，解耦了數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的函數(shù)，將數(shù)據(jù)在不同處理函數(shù)之間的流動過程展現(xiàn)給用戶，使用戶能夠?qū)ψ约旱臉I(yè)務(wù)邏輯始終保持專注，避免了命令式編程不斷向計算機描述如何完成某項工作的瑣碎步驟，也避免了面向?qū)ο蟪橄筮^程中數(shù)據(jù)和方法的耦合以及類繼承的復(fù)雜性。函數(shù)式編程與命令式編程范式相比，具有數(shù)學上的優(yōu)雅性。因為計算機編程過程處理的對象是數(shù)據(jù)，函數(shù)才是處理不同有組織數(shù)據(jù)的核心。在初步掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，學生可通過函數(shù)式編程語言了解利用計算機解決計算問題的思想，進而將這種思想應(yīng)用于計算機編程實踐。

F#是微軟.NET開發(fā)平臺的一門編程語言，由微軟倫敦研究院研發(fā)，目前是全平臺的開源編程語言，技術(shù)演進完全由社區(qū)驅(qū)動，其最鮮明的特點是對函數(shù)式編程范式（FP，F(xiàn)unctionalProgramming）的引入，同時F#對面向?qū)ο螅∣OP）編程的支持也同樣出色。使用F#語言，開發(fā)人員可以自由選擇函數(shù)式編程或面向?qū)ο缶幊虒崿F(xiàn)目標。此外，F(xiàn)#還可與NET平臺上的C#、VB等編程語言緊密結(jié)合，通過相互調(diào)用完成歷史代碼復(fù)用，實現(xiàn)更大規(guī)模的項目。

函數(shù)式編程思想與傳統(tǒng)的C語言、較新的Python、Go語言不同，具有一定新穎性，帶來解決問題的新思路，尤其是對于并行與異步編程，相比Java等編程語言，更加利于學生理解問題的關(guān)鍵和核心。近年函數(shù)式編程語言在工業(yè)界流行，在大學開設(shè)相關(guān)課程是教改關(guān)注的熱門話題。這種范式的編程語言與大眾熟知的面向?qū)ο?、命令式編程語言不同，為編程人員提供了新的問題解決思路與思維工具。盡管這種編程語言在工業(yè)界和學術(shù)圈流行，但尚未在國內(nèi)高校編程教學中得到重視。

本文從函數(shù)式編程的新視角出發(fā)，研究了函數(shù)式編程特點，用不同的方式解決傳統(tǒng)軟件開發(fā)的諸多問題。啟發(fā)學生思維，為解決老問題提供新思路。

1默認不可變

函數(shù)式編程語言強調(diào)量默認的不可變性，如C語言中，入門時一定會告訴學生需要定義一個整形變量sum，初始值為0，當對1-100的整形數(shù)求和時，可以不斷將1-100中的數(shù)字i加到sum中，改變sum變量的值為舊的sum加上新的i，這樣可以求得最終的和值。在這個過程中，編程者向計算機仔細描述了實現(xiàn)一個數(shù)列求和功能的函數(shù)。

而在函數(shù)式編程中，因為量默認是不可變的，就不能進行累計的求和累加行為，需要換一種思路。從代碼1可以看到，1～4行構(gòu)造了一個遞歸函數(shù)，這個遞歸函數(shù)有兩個輸入：第一個輸入data是一個要求和的list，第二個輸入是用來求和的sum。接下來的match with關(guān)鍵字是現(xiàn)代編程語言，諸如Scala、Swift等編程語言，都有類似的語法特征（如用Switch實現(xiàn)這一功能）?？梢钥吹健?”豎線部分代表一種需要被匹配的情況，如果匹配成功，則執(zhí)行箭頭指向的語句塊。匹配規(guī)則是如果data的list由一個頭元素head和若干尾元素tail（這里的tail是一個去掉data頭元素的list）組成，那么函數(shù)會將頭元素加到sum上，得到新的sum，并對tail尾進行上述操作，不同的是輸入給getSum函數(shù)的sun值已經(jīng)變成在原來的sum值上加了head值。在第5行中，當data的list為空時，可以看到getSum函數(shù)會將sum輸入的結(jié)果直接返回給用戶。在代碼1第6行中，可以看到一個求1到100的和的例子，data輸入對應(yīng)[1…100]，代表一個從1到100，步長為1的list，sum輸入一個整形0作為和的初始值。

代碼1：基于函數(shù)式編程語言的不可變、模式匹配特性進行求和。

從這段代碼可以看出，編程人員在實現(xiàn)過程中沒有用到任何可變變量，一切值在所有行里都是不可變的，這保證了當代碼在多核或多線程中運行時沒有任何副作用，是純粹（pure）的。

量默認不可變優(yōu)勢非常明顯，任何一段代碼拿到一個量都可以放心使用這個量，不必擔心代碼在其它線程或內(nèi)核中改變這個值，這在機制上克服了副作用，避免了加鎖等一系列繁瑣操作。

2高階函數(shù)與聲明式編程

分析例證1：求一個list的和，可以給一個初始值，將list中每個頭元素不斷遞歸與初始值求和，并作為新的初始值送人下一次遞歸，直到list為空，即可求得整個list的和值，這其實就是MAP/REDUCE計算模型中的REDUCE過程。

代碼2：描述做什么（WHAT），而不是訴說怎么做（WHAT）。

分析例證2：通過一個計算實例向?qū)W生展現(xiàn)函數(shù)編程語言的優(yōu)雅與簡潔。當存在一個list，從1到100，要求對其中的每一個元素做某種運算f生成一組新的元素，再對其中符合某種條件t的元素進行保留，最后對剩余元素求和。

通過提問方式討論傳統(tǒng)編程語言解決這一問題的方法。通常發(fā)現(xiàn)需要對list元素進行遍歷，計算遍歷元素i在廠函數(shù)作用下的結(jié)果f（i），然后判斷f（i）是否符合條件t。如符合，將其值加入一個累計變量sum中作為最終的和;如不符合t則不進行任何操作。而在F#代碼2中可以看出，第1行構(gòu)造目標數(shù)據(jù)，第2行對數(shù)據(jù)中每一個元素進行操作（將每個元素平方，然后加1），第3行對新生成數(shù)據(jù)進行過濾，保留其中可以被2整除的元素，第4行對結(jié)果進行求和。第2行和第3行中，直接將一個需要進行的操作和判斷的條件放在map函數(shù)及filter函數(shù)后面，對需要進行操作或過濾的數(shù)據(jù)進行操作或過濾，這樣可以接受一個作為輸入的函數(shù)，叫做高階函數(shù)。學生在學習到這一特性時，普遍會覺得函數(shù)式編程的語法更容易理解，同時看起來很優(yōu)雅。

有了高階函數(shù)，函數(shù)式編程賦予編程者組合拼接各種功能函數(shù)的能力，從而通過若干小的功能就可構(gòu)造出更大更多功能。而高階函數(shù)直接避免了指針（或代理）的使用，可以將函數(shù)很輕松地作為像量一樣的東西傳遞，這種將函數(shù)和量保持在同等地位的特性也是函數(shù)式編程獨有的。

3并行計算與異步計算

隨著單純提高CPU頻率滿足摩爾定律的終結(jié)，中央處理器的核心數(shù)量越來越多，并行并發(fā)計算在各種編程語言中都是學習難點。而F#的語法設(shè)計在學習并行與異步計算課程中異常簡單。示例代碼如代碼3、代碼4所示。

代碼3：數(shù)組同步并行計算代碼示例。

代碼3與代碼2的運算完全一致，不同的是代碼2的計算由單個CPU核心完成，代碼3則會使用CPU所有的邏輯核心和實體核心。仔細比較兩段代碼，可發(fā)現(xiàn)它們高度類似，只是list換成了array及額外增加了一個parallel。之所以將list換成array，是因為list對模式匹配的支持更豐富，但array通過下屬parallel模塊支持同步并行計算。如示例所示，當對一個集合中每個元素作某種變換（用一個函數(shù)處理元素）時，可以直接使用并行計算，這樣F#編程中的同步并行計算就可輕易達成。講授到這里時，學生會感嘆函數(shù)式編程的易用性。但還需補充講解list和array數(shù)據(jù)類型的特點和區(qū)別，避免學生在學習中混淆。

代碼4：數(shù)組異步并行計算代碼示例。

同步并行問題在于當計算量較大時，CPU因所有核心都在執(zhí)行目標操作，無暇顧及其它系統(tǒng)請求，會給用戶造成卡頓的感覺。當希望CPU進行計算的同時還可響應(yīng)必要的系統(tǒng)請求，就需要異步并行計算。還是同樣的計算任務(wù)，代碼4展示了在F#中使用async關(guān)鍵字構(gòu)造一個異步計算并完成的過程。

第3到第5行的代碼將原本要進行的計算包裹在一個結(jié)構(gòu)async{return something}中，代表一個要進行的異步計算，something是這個異步要返回的結(jié)果。構(gòu)造完這個異步計算，第2到第6行就將1～100的100個元素映射成了100個異步計算，第7行的Async.Parallel用fork-join模式，將100個異步計算合并成一個異步計算，在第8行代碼的執(zhí)行命令下，返回這個異步計算結(jié)果（注意這時結(jié)果是一個數(shù)據(jù)Array）。

講授該知識點時，可請學生在課堂上討論各種編程語言是如何實現(xiàn)異步編程的。在向大家介紹F#的異步實現(xiàn)方式后，通過對比，學生會發(fā)現(xiàn)F#不需要構(gòu)造線程、設(shè)計Runnable類對象、聲明回調(diào)函數(shù)等瑣碎細節(jié)就可直接構(gòu)造一個異步運算，并可執(zhí)行和獲得結(jié)果。

4結(jié)語

治學當知行合一（王守仁），學習計算機相關(guān)知識尤其需要學生動手實踐。當學生面對并行、異步、高階函數(shù)、默認不可變時，這些概念對他們來說是陌生的。通過代碼示例、課堂討論、動手實踐，學生能掌握函數(shù)式編程的核心概念和解決問題的一般思路。聲明式編程將編程人員的焦點從告訴計算機如何做轉(zhuǎn)移到告訴計算機做什么上。計算機編程已經(jīng)到了一個需要進一步向前演化的時間節(jié)點，Scala、F#等函數(shù)式編程語言和函數(shù)式語法已在工業(yè)界逐步流行，這要求學校具有前瞻性，為學生儲備相關(guān)知識和基礎(chǔ)技能。

通過學習《F#函數(shù)式編程》課程，學生可理解面向?qū)ο缶幊讨獾牧硪环N編程思想，為其將來工作中解決生產(chǎn)實踐問題提供新的思維工具。通過不斷探索不同知識點的教學方法，學生更容易理解一些全新概念，豐富知識儲備和思維方式，對培養(yǎng)新時代的計算機專業(yè)人才具有重要意義，計算機編程教學質(zhì)量也將得到進一步提升。