Cách tư duy lập trình giúp công việc bạn nhanh hơn

Trong các bài đăng đầu tiên và thứ hai của loạt bài Tư duy về lập trình hàm, tôi xem xét một số chủ đề về lập trình hàm và chúng liên quan đến Java™ và các ngôn ngữ liên quan của nó như thế nào. Bài đăng này tiếp tục hướng nghiên cứu này, cho thấy một phiên bản Scala của trình phân loại số từ các bài đăng trước và thảo luận về một số chủ đề nhuốm màu-học thuật như currying, áp dụng một phần (partial) và phép đệ quy.

Trình phân loại số trong Scala

Tôi đã dành lại một phiên bản trình phân loại số bằng Scala đến phút cuối vì nó là một phiên bản có ít bí ẩn cú pháp nhất, ít nhất là với các nhà phát triển Java. (Nhắc lại các yêu cầu của trình phân loại số: Cho số nguyên dương bất kỳ lớn hơn 1 nào, bạn phải phân loại nó là perfect (hoàn hảo), abundant (dư thừa) hay deficient (thiếu hụt). Một số hoàn hảo là một số mà các thừa số, không bao gồm chính số đó, cộng lại thì bằng chính số đó. Tổng các thừa số của số dư thừa sẽ lớn hơn số đó và tổng các thừa số của số thiếu hụt sẽ nhỏ hơn số đó). Liệt kê 1 cho thấy phiên bản Scala:

        
package com.nealford.conf.ft.numberclassifier object NumberClassifier {
   def isFactor(number: Int, potentialFactor: Int) = number % potentialFactor == 0 
   def factors(number: Int) = (1 to number) filter (number % _ == 0) 
   def sum(factors: Seq[Int]) = factors.foldLeft(0)(_ + _) 
   def isPerfect(number: Int) = sum(factors(number)) - number == number 
   def isAbundant(number: Int) = sum(factors(number)) - number > number 
   def isDeficient(number: Int) = sum(factors(number)) - number < number } 

Thậm chí nếu bạn chưa bao giờ nhìn thấy Scala cho đến nay, thì mã này vẫn hoàn toàn dễ đọc. Như trước đây, hai phương thức đáng quan tâm là factors() và sum(). Phương thức factors() lấy danh sách các số từ 1 đến số đích và áp dụng phương thức filter() dựng sẵn của Scala, sử dụng khối mã ở phía bên phải làm tiêu chuẩn lọc (cũng được gọi là một vị từ). Khối mã này lợi dụng tham số ngầm, của Scala, cho phép ký hiệu giữ chỗ không tên (ký tự _) khi không cần một biến có tên. Nhờ sự linh hoạt cú pháp của Scala, bạn có thể gọi phương thức filter() giống như cách bạn gọi một toán tử. Nếu bạn thích, có thể viết, (1 to number).filter((number % _ == 0)) cũng được.

Phương thức sum() sử dụng phép toán fold left bây giờ đã thành quen thuộc (trong Scala, phép toán này được triển khai thực hiện dưới dạng phương thức foldLeft()). Tôi không cần đặt tên cho các biến trong trường hợp này, vì vậy tôi sử dụng ký tự _ như là một ký hiệu giữ chỗ, lợi dụng cú pháp sạch, đơn giản để định nghĩa một khối mã. Phương thức foldLeft() thực hiện nhiệm vụ giống như phương thức có tên tương tự trong thư viện Functional Java (xem Tài nguyên), đã xuất hiện trong bài đăng đầu tiên:

1. Lấy một giá trị ban đầu và kết hợp nó qua một phép toán với phần tử đầu tiên của danh sách.
2. Lấy kết quả và áp dụng phép toán tương tự cho phần tử tiếp theo.
3. Tiếp tục làm việc này cho đến khi danh sách được khai thác hết.

Đây là một phiên bản tổng quát về cách áp dụng một phép toán ví dụ như cộng một danh sách các số: bắt đầu với số không, cộng vào phần tử đầu tiên, lấy kết quả đó và cộng nó với phần tử thứ hai và tiếp tục cho đến khi danh sách được dùng hết.

Kiểm tra đơn vị

Mặc dù tôi đã không thể hiện các bài kiểm tra đơn vị đối với các phiên bản trước, tất cả các ví dụ đều có các bài kiểm tra. Một thư viện kiểm tra đơn vị hiệu quả tên là ScalaTest hiện có sẵn cho Scala (xem Tài nguyên). Liệt kê 2 cho thấy bài kiểm tra đầu tiên mà tôi đã viết để kiểm tra lại phương thức isPerfect() của Liệt kê 1:

        
@Test def negative_perfection() { 
   for (i <- 1 until 10000) 
      if (Set(6, 28, 496, 8128).contains(i))
         assertTrue(NumberClassifier.isPerfect(i)) 
      else assertFalse(NumberClassifier.isPerfect(i)) 
} 

Nhưng cũng giống như bạn, tôi đang cố gắng để học cách suy nghĩ theo lập trình hàm nhiều hơn và mã trong Liệt kê 2 đã làm phiền tôi theo hai cách. Đầu tiên, nó dùng vòng lặp để làm một cái gì đó, trưng ra rõ ràng suy nghĩ mệnh lệnh. Thứ hai, tôi không quan tâm đến cái bẫy nhị phân của các câu lệnh if. Vấn đề tôi đang cố gắng giải quyết là gì? Tôi cần phải đảm bảo rằng trình phân loại số của tôi không xác định nhầm một số không tròn số là tròn số. Liệt kê 3 cho thấy giải pháp cho vấn đề này, sau khi đã phát biểu hơi khác đi:

        
@Test def alternate_perfection() { 
   assertEquals(List(6, 28, 496, 8128), (1 until 10000) 
   filter (NumberClassifier.isPerfect(_))) } 

Liệt kê 3 xác nhận rằng các số tròn số duy nhất trong khoảng từ 1 đến 10.000, chỉ là những số có trong danh sách số tròn số đã biết. Suy nghĩ theo lập trình hàm mở rộng không chỉ với mã của bạn, mà còn với cách bạn suy nghĩ về việc kiểm tra nó nữa.

Về đầu trang

Áp dụng một phần và currying

Cách tiếp cận lập trình hàm mà tôi đã cho thấy để lọc các danh sách là phổ biến trong các ngôn ngữ và các thư viện lập trình hàm. Việc sử dụng khả năng chuyển giao mã lệnh như là tham số (như với phương thức filter() trong Liệt kê 3) minh họa cho cách suy nghĩ về sử dụng lại mã theo một cách khác. Nếu bạn đến từ một thế giới hướng đối tượng dựa vào-các mẫu-thiết kế truyền thống, hãy so sánh cách tiếp cận này với mẫu thiết kế Phương thức khuôn mẫu (Template Method) từ cuốn sách Các mẫu thiết kế của Bộ tứ (xem Tài nguyên). Các mẫu Phương thức khuôn mẫu xác định bộ khung của một thuật toán trong một lớp cơ sở, sử dụng các phương thức trừu tượng và cách viết đè để trì hoãn các chi tiết riêng cho các lớp con. Khi sử dụng hàm hợp (composition), cách tiếp cận lập trình hàm cho phép bạn chuyển giao theo cách lập trình hàm cho các phương thức để chúng áp dụng chức năng đó theo cách thích hợp.

Một cách khác để đạt được việc sử dụng lại mã là qua currying. Được đặt tên phỏng theo tên nhà toán học Haskell Curry (ngôn ngữ lập trình Haskell cũng được đặt tên theo tên nhà toán học đó), currying biến đổi một hàm nhiều đối số sao cho nó có thể được gọi như là một chuỗi các hàm chỉ có một đối số. Liên quan chặt chẽ với nó là áp dụng một phần, một kỹ thuật để gán một giá trị cố định cho một hoặc nhiều đối số của một hàm, vì thế tạo ra một hàm khác có arity (số các tham số của hàm đó) nhỏ hơn. Để hiểu rõ sự khác biệt này, hãy bắt đầu bằng cách xem xét mã Groovy trong Liệt kê 4, minh họa currying:

        
def product = { x, y -> return x * y } 
def quadrate = product.curry(4) 
def octate = product.curry(8) 
println "4x4: ${quadrate.call(4)}" 
println "5x8: ${octate(5)}" 

Trong Liệt kê 4, tôi định nghĩa product là một khối mã chấp nhận hai tham số. Khi sử dụng phương thức curry() dựng sẵn của Groovy, tôi sử dụng product như là khối xây dựng cho hai khối mã mới: quadrate (gấp bốn) và octate (gấp tám). công khai một phương thức call() hoặc sử dụng vỏ cú pháp mức-ngôn ngữ đã được cung cấp bằng cách viết các cặp dấu ngoặc đơn có chứa bất kỳ các tham số nào sau tên khối-mã (ví dụ như là octate(5)).

Áp dụng một phần là một kỹ thuật rộng hơn, tương tự như currying nhưng không chỉ hạn chế hàm kết quả cho một đối số duy nhất. Groovy sử dụng phương thức curry() để xử lý cả hai currying và áp dụng một phần, như trong Liệt kê 5:

        
def volume = { h, w, l -> return h * w * l } 
def area = volume.curry(1) 
def lengthPA = volume.curry(1, 1) //partial application 
def lengthC = volume.curry(1).curry(1) // currying 
println "The volume of the 2x3x4 rectangular solid is ${volume(2, 3, 4)}" 
println "The area of the 3x4 rectangle is ${area(3, 4)}" 
println "The length of the 6 line is ${lengthPA(6)}" 
println "The length of the 6 line via curried function is ${lengthC(6)}" 

Khối mã volume trong Liệt kê 5 tính thể tích khối của khối chữ nhật ba chiều bằng cách sử dụng công thức đã biết. Sau đó tôi tạo ra một khối mã area (tính diện tích của hình chữ nhật) bằng cách đặt kích thước đầu tiên của volume (chiều caoh) là 1. Để sử dụng volume như là một khối xây dựng cho một khối mã trả về độ dài của một đoạn thẳng, tôi có thể thực hiện hoặc áp dụng một phần hoặc currying. lengthPA dùng áp dụng một phần bằng cách đặt từng tham số trong hai tham số đầu tiên là 1. lengthC dùng currying hai lần để sinh ra cùng kết quả. Khó thấy được sự khác biệt và kết quả cuối cùng là giống nhau, nhưng nếu bạn sử dụng các thuật ngữ currying và áp dụng một phần lẫn lộn thay thế cho nhau trong tầm nghe của một người lập trình hàm, bạn có thể bị chỉnh sửa lại đấy.

Lập trình hàm cung cấp cho bạn các khối xây dựng mới, khác nhau để đạt được cùng các mục tiêu như các ngôn ngữ mệnh lệnh thực hiện bằng các cơ chế khác. Các mối quan hệ giữa những khối xây dựng này phải được suy nghĩ cẩn thận. Ở trên, tôi đã cho thấy hàm hợp là một cơ chế sử dụng lại mã. Bạn đừng ngạc nhiên khi bạn có thể kết hợp currying và hàm hợp. Hãy xem xét mã Groovy trong Liệt kê 6:

        
def composite = { f, g, x -> return f(g(x)) } 
def thirtyTwoer = composite.curry(quadrate, octate) 
println "composition of curried functions yields ${thirtyTwoer(2)}" 

Trong Liệt kê 6, tôi tạo ra khối mã composite là hàm hợp của hai hàm. Sử dụng khối mã đó, tôi tạo ra khối mã thirtyTwoer, dùng áp dụng một phần để kết hợp hai phương thức với nhau.

Bằng cách dùng áp dụng một phần và currying, bạn đạt được các mục tiêu tương tự với các cơ chế như của mẫu thiết kế Phương thức khuôn mẫu. Ví dụ, bạn có thể tạo ra một khối mã incrementer bằng cách xây dựng nó trên đỉnh một khối mã adder, như trong Liệt kê 7:

        
def adder = { x, y -> return x + y } 
def incrementer = adder.curry(1)
println "increment 7: ${incrementer(7)}" 

Tất nhiên, Scala hỗ trợ currying, như được minh họa bằng đoạn mã (snippet) lấy từ tài liệu Scala được hiển thị trong Liệt kê 8:

        
object CurryTest extends Application { 
   def filter(xs: List[Int], p: Int => Boolean):
        List[Int] = if (xs.isEmpty) xs 
                    else if (p(xs.head)) xs.head :: filter(xs.tail, p) 
                         else filter(xs.tail, p) 
   def dividesBy(n: Int)(x: Int) = ((x % n) == 0) 
   val nums = List(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) 
   println(filter(nums, dividesBy(2))) 
   println(filter(nums, dividesBy(3))) 
} 

Mã trong Liệt kê 8 cho thấy cách thực hiện một phương thức dividesBy() được phương thức filter() sử dụng. Tôi chuyển một hàm vô danh tới phương thức filter() sử dụng. Tôi chuyển một hàm vô danh tới phương thức dividesBy() bằng giá trị được sử dụng để tạo khối mã. Khi tôi chuyển giao khối mã được tạo ra bằng cách truyền số đích của tôi như một tham số, Scala tạo ra một hàm mới bằng currying.

Về đầu trang

Lọc qua phép đệ quy

Một chủ đề khác liên kết chặt chẽ với lập trình hàm là phép đệ quy, (theo Wikipedia) là "quá trình lặp lại các mục theo một cách tự đồng dạng". Trong thực tế, đó là một cách của khoa học máy tính để lặp lại qua hết mọi thứ bằng cách gọi một phương thức từ bên trong chính nó (luôn cẩn thận đảm bảo rằng bạn có một điều kiện thoát). Nhiều khi, phép đệ quy dẫn đến mã lệnh dễ hiểu bởi vì cốt lõi của vấn đề của bạn là cần làm điều tương tự lặp đi lặp lại xuống đến một danh sách giảm dần.

Hãy xem xét việc lọc một danh sách. Sử dụng một cách tiếp cận vòng lặp, tôi chấp nhận một tiêu chuẩn lọc và lặp lại qua các nội dung, lọc ra các phần tử mà tôi không muốn. Liệt kê 9 cho thấy một cách thực hiện lọc đơn giản với Groovy:

        
def filter(list, criteria) { 
   def new_list = [] list.each { 
      i -> if (criteria(i)) new_list << i 
   } 
   return new_list 
} 
modBy2 = { n -> n % 2 == 0 } 
l = filter(1..20, modBy2)
println l 

Phương thức filter() trong Liệt kê 9 chấp nhận một list và một criteria (một khối mã chỉ rõ cách lọc danh sách ra sao) và lặp qua hết danh sách, thêm từng mục vào một danh sách mới nếu nó khớp với vị từ đó.

Bây giờ hãy xem lại Liệt kê 8, là một cách thực hiện bằng phép đệ quy chức năng lọc trong Scala. Nó làm theo một mẫu phổ biến trong các ngôn ngữ lập trình hàm để xử lý một danh sách. Một khung nhìn của một danh sách gồm hai phần: mục ở đầu danh sách (mục đầu) và tất cả các mục khác còn lại. Nhiều ngôn ngữ lập trình hàm có các phương thức cụ thể để lặp qua hết một danh sách bằng cách sử dụng cách biểu diễn này. Trước tiên phương thức filter() kiểm tra xem danh sách có rỗng không — điều kiện thoát quan trọng cốt yếu cho phương thức này. Nếu danh sách rỗng, chỉ cần trả về. Nếu trái lại, sử dụng điều kiện vị từ (p) được chuyển giao như là một tham số. Nếu điều kiện này đúng (có nghĩa là tôi muốn có mục này trong danh sách của mình), tôi trả về một danh sách mới được xây dựng bằng cách lấy mục đầu hiện tại và phần còn lại được lọc của danh sách. Nếu điều kiện vị từ sai, tôi trả về một danh sách mới chỉ chứa đúng phần còn lại được lọc (loại bỏ phần tử đầu tiên). Các toán tử xây dựng danh sách trong Scala làm cho các điều kiện trả về cho cả hai trường hợp hoàn toàn dễ đọc và dễ hiểu.

Tôi đoán là bây giờ bạn chưa sử dụng phép đệ quy tí nào — nó thậm chí không phải là một phần của hộp công cụ của bạn. Tuy nhiên, một phần lý do nằm ở thực tế là hầu hết các ngôn ngữ lập trình mệnh lệnh hỗ trợ nó mờ nhạt, làm cho việc sử dụng khó khăn hơn là đáng ra nên có. Bằng cách thêm cú pháp sạch và sự hỗ trợ, các ngôn ngữ lập trình hàm làm cho phép đệ quy trở thành một ứng cử viên để sử dụng lại mã đơn giản.

Bài đăng này hoàn tất nghiên cứu của tôi về các đặc tính trong thế giới tư duy lập trình hàm. Thật trùng hợp, phần lớn bài viết này đã nói về việc lọc, cho thấy nhiều cách để sử dụng nó và thực hiện nó. Nhưng điều này không quá bất ngờ. Nhiều mẫu hình lập trình hàm được xây dựng xung quanh các danh sách vì phần lớn việc lập trình rốt cuộc là xử lý các danh sách về mọi thứ. Rất có ý nghĩa khi tạo ra các ngôn ngữ và các khung công tác nạp thêm các tiện ích cho các danh sách.

Trong bài đăng tiếp theo, tôi sẽ nói sâu về một trong các khối xây dựng của lập trình hàm: tính bất biến.