Python教程：函數(shù)式編程

copy_left 2023-06-24 發(fā)布于四川

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Python函數(shù)式編程是一種編程范式，它強(qiáng)調(diào)使用純函數(shù)來處理數(shù)據(jù)。函數(shù)是程序的基本構(gòu)建塊，并且盡可能避免或最小化可變狀態(tài)和副作用。在函數(shù)式編程中，函數(shù)被視為一等公民，可以像值一樣傳遞和存儲(chǔ)。本教程將介紹如何使用Python進(jìn)行函數(shù)式編程，并提供一些示例。

1.純函數(shù)

純函數(shù)是指不產(chǎn)生副作用的函數(shù)，即只依賴于輸入?yún)?shù)并返回輸出結(jié)果，而不修改任何外部狀態(tài)。純函數(shù)通常易于測試、可組合和并發(fā)執(zhí)行。例如，下面是一個(gè)非純函數(shù)：

total = 0

def add(n):
    global total
    total += n
    return total

這個(gè)函數(shù)會(huì)修改total全局變量，因此是有副作用的。相反，下面是一個(gè)純函數(shù)：

def add(n):
    return n + 1

這個(gè)函數(shù)只依賴于輸入?yún)?shù)并返回輸出結(jié)果，沒有任何副作用。

2.函數(shù)是一等公民

在函數(shù)式編程中，函數(shù)是一等公民。這意味著函數(shù)可以像其他數(shù)據(jù)類型一樣傳遞給其他函數(shù)，也可以從其他函數(shù)中返回。例如：

def apply(func, arg):
    return func(arg)

def double(x):
    return x * 2

print(apply(double, 5)) # 輸出 10

在這個(gè)例子中，我們定義了一個(gè)名為apply的函數(shù)，它接受兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)函數(shù)和一個(gè)參數(shù)。它將這個(gè)參數(shù)傳遞給這個(gè)函數(shù)并返回結(jié)果。

3.高階函數(shù)

高階函數(shù)是指接受一個(gè)或多個(gè)函數(shù)作為參數(shù)和/或返回一個(gè)函數(shù)的函數(shù)。Python提供了許多內(nèi)置的高階函數(shù)，如map，filter和reduce。例如：

# map
def square(x):
    return x ** 2

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
squares = list(map(square, numbers))
print(squares) # 輸出 [1, 4, 9, 16, 25]

# filter
def is_even(x):
    return x % 2 == 0

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
evens = list(filter(is_even, numbers))
print(evens) # 輸出 [2, 4]

# reduce
from functools import reduce

def add(x, y):
    return x + y

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
sum = reduce(add, numbers)
print(sum) # 輸出 15

在這個(gè)例子中，我們定義了三個(gè)函數(shù)：square，is_even和add。然后，我們使用內(nèi)置的高階函數(shù)map，filter和reduce來對數(shù)字列表進(jìn)行操作。

4.Lambda表達(dá)式

Lambda表達(dá)式是一種匿名函數(shù)，可以用來定義簡單的函數(shù)。它們通常在需要一個(gè)函數(shù)作為參數(shù)的地方使用。例如：

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
squares = list(map(lambda x: x ** 2, numbers))
print(squares) # 輸出 [1, 4, 9, 16, 25]

evens = list(filter(lambda x: x % 2 == 0, numbers))
print(evens) # 輸出 [2, 4]

在這個(gè)例子中，我們使用Lambda表達(dá)式來定義map和filter函數(shù)的函數(shù)參數(shù)。

更多教程：PoyCode編程指南^[1]

5.偏函數(shù)

偏函數(shù)是指通過部分設(shè)置參數(shù)來創(chuàng)建新函數(shù)的過程。在Python中，我們可以使用functools.partial函數(shù)來實(shí)現(xiàn)偏函數(shù)。偏函數(shù)是一種指定部分參數(shù)的函數(shù)。例如，假設(shè)有一個(gè)函數(shù)：

def power(base, exponent):
    return base ** exponent

如果要計(jì)算2的平方和立方，可以這樣實(shí)現(xiàn)：

print(power(2, 2))
print(power(2, 3))

輸出：

4
8

使用偏函數(shù)可以更方便地計(jì)算多個(gè)指數(shù)。例如：

from functools import partial

square = partial(power, exponent=2)
cube = partial(power, exponent=3)

print(square(2))
print(cube(2))

輸出：

4
8

這里使用了functools.partial函數(shù)將power函數(shù)的exponent參數(shù)固定為2或3，從而創(chuàng)建了兩個(gè)新的函數(shù)square和cube。

6.函數(shù)組合

函數(shù)組合是指將多個(gè)函數(shù)組合成一個(gè)函數(shù)。例如，假設(shè)有兩個(gè)函數(shù)：

def add1(n):
    return n + 1

def double(n):
    return n * 2

現(xiàn)在要實(shí)現(xiàn)一個(gè)新函數(shù)，將add1和double組合起來，可以這樣實(shí)現(xiàn)：

def compose(f, g):
    return lambda x: f(g(x))

add1_double = compose(add1, double)
print(add1_double(3))

輸出：

7

這個(gè)函數(shù)首先將輸入?yún)?shù)3傳遞給double函數(shù)，然后將其結(jié)果6傳遞給add1函數(shù)，最終得到7。

上一篇教程：Python數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：列表、元組、字典、集合^[2]

7.不可變性

函數(shù)式編程鼓勵(lì)不可變性，盡量減少或避免可變狀態(tài)和副作用。這可以通過使用元組、凍結(jié)集合和不可變對象來實(shí)現(xiàn)。例如：

# 元組
person = ('John', 25)
name, age = person

# 凍結(jié)集合
my_set = frozenset([1, 2, 3])

# 不可變對象
from collections import namedtuple

Person = namedtuple('Person', ['name', 'age'])
person = Person(name='John', age=25)

在這個(gè)例子中，我們使用元組、凍結(jié)集合和不可變對象來創(chuàng)建不可變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

8. 尾遞歸優(yōu)化

尾遞歸是指函數(shù)的最后一個(gè)操作是它自己的遞歸調(diào)用。這可以通過迭代實(shí)現(xiàn)，并且可以避免堆棧溢出錯(cuò)誤。Python沒有尾遞歸優(yōu)化，但可以使用生成器和迭代器來模擬。尾遞歸優(yōu)化是一種技術(shù)，它可以將遞歸函數(shù)的調(diào)用棧優(yōu)化為迭代循環(huán)，從而減少內(nèi)存占用和提高程序性能。

在 Python 中實(shí)現(xiàn)尾遞歸優(yōu)化有兩種方法：

1. 使用 sys.setrecursionlimit() 函數(shù)增加最大遞歸深度。
2. 實(shí)現(xiàn)一個(gè)尾遞歸函數(shù)，并使用一個(gè) while 循環(huán)替換遞歸調(diào)用。

以下是一個(gè)簡單的例子：

import sys

sys.setrecursionlimit(10000)

def factorial(n, acc=1):
    if n == 0:
        return acc
    else:
        return factorial(n-1, acc*n)

def tail_recursion_factorial(n, acc=1):
    while n > 0:
        n, acc = n-1, acc*n
    return acc

在這個(gè)例子中，我們定義了兩個(gè)函數(shù)：factorial 和 tail_recursion_factorial。factorial 是一個(gè)正常的遞歸函數(shù)，而 tail_recursion_factorial是一個(gè)尾遞歸函數(shù)。

如果使用 factorial(1000) 這樣的參數(shù)調(diào)用 factorial 函數(shù)，將會(huì)產(chǎn)生 RecursionError，因?yàn)槟J(rèn)情況下 Python 的最大遞歸深度為1000。為了解決這個(gè)問題，我們增加了最大遞歸深度并重新運(yùn)行代碼。

使用 tail_recursion_factorial(1000) 來調(diào)用 tail_recursion_factorial 函數(shù)，則不會(huì)出現(xiàn)RecursionError，因?yàn)樵摵瘮?shù)被優(yōu)化為迭代循環(huán)。

需要注意的是，尾遞歸優(yōu)化并不總是有效，因?yàn)橛袝r(shí)候需要保留函數(shù)調(diào)用棧以便于在返回時(shí)執(zhí)行一些操作。此外，在 Python 中默認(rèn)情況下并沒有進(jìn)行尾遞歸優(yōu)化，因此需要手動(dòng)實(shí)現(xiàn)它。

9.總結(jié)

Python函數(shù)式編程是一種編程范式，它的核心思想是將計(jì)算視為數(shù)學(xué)函數(shù)的運(yùn)算，并且避免使用可變狀態(tài)和副作用。

第一步是理解函數(shù)是什么。在函數(shù)式編程中，函數(shù)被認(rèn)為是“一等公民”，這意味著它們可以像任何其他數(shù)據(jù)類型一樣傳遞和操作。因此，函數(shù)通常會(huì)接受輸入并返回輸出，而不會(huì)修改狀態(tài)或影響外部環(huán)境。

然后，我們需要了解Python中的lambda表達(dá)式。Lambda表達(dá)式是一種匿名函數(shù)，它可以在需要時(shí)方便地定義和調(diào)用。它的語法類似于“l(fā)ambda arguments: expression”，其中arguments是參數(shù)列表，expression是函數(shù)體。

接下來是高階函數(shù)。在函數(shù)式編程中，高階函數(shù)是指接受一個(gè)或多個(gè)函數(shù)作為參數(shù)的函數(shù)，或者返回一個(gè)新函數(shù)的函數(shù)。例如，map()函數(shù)可以接受一個(gè)函數(shù)和一個(gè)序列，并返回一個(gè)新序列，其中每個(gè)元素都是通過應(yīng)用給定函數(shù)得到的結(jié)果。

還有一個(gè)重要的概念是閉包。閉包是指一個(gè)函數(shù)內(nèi)部定義的函數(shù)，它可以訪問其外部函數(shù)的變量和參數(shù)。這使得我們可以創(chuàng)建一些特殊的函數(shù)，例如currying和partial functions。

此外，函數(shù)式編程還涉及到一些常見的函數(shù)，例如filter()、reduce()和sorted()。這些函數(shù)可以幫助我們在Python中進(jìn)行函數(shù)式編程。

最后，我們需要了解如何避免使用可變狀態(tài)和副作用。這意味著我們應(yīng)該盡可能避免修改對象的狀態(tài)或影響外部環(huán)境。相反，我們應(yīng)該嘗試編寫純函數(shù)，這些函數(shù)只依賴于其輸入，并且不會(huì)修改狀態(tài)或引起副作用。

總之，在Python中進(jìn)行函數(shù)式編程需要掌握lambda表達(dá)式、高階函數(shù)、閉包以及避免使用可變狀態(tài)和副作用等概念。通過這些技術(shù)，我們可以創(chuàng)建更具可讀性、可維護(hù)性和可重用性的代碼。

引用鏈接

[1] Poycode編程指南: http://www.
[2] Python數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：列表、元組、字典、集合: http://www./archives/169

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來自： copy_left > 《python相關(guān)》

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