1.函数式编程
1.1 高阶函数
函数是Python内建支持的一种封装,我们通过把大段代码拆成函数,通过一层一层的函数调用,就可以把复杂任务分解成简单的任务,这种分解可以称之为面向过程的程序设计。函数就是面向过程的程序设计的基本单元。
而函数式编程(请注意多了一个“式”字)——Functional Programming,虽然也可以归结到面向过程的程序设计,但其思想更接近数学计算。
我们首先要搞明白计算机(Computer)和计算(Compute)的概念。
在计算机的层次上,CPU执行的是加减乘除的指令代码,以及各种条件判断和跳转指令,所以,汇编语言是最贴近计算机的语言。
而计算则指数学意义上的计算,越是抽象的计算,离计算机硬件越远。
对应到编程语言,就是越低级的语言,越贴近计算机,抽象程度低,执行效率高,比如C语言;越高级的语言,越贴近计算,抽象程度高,执行效率低,比如Lisp语言。
函数式编程就是一种抽象程度很高的编程范式,纯粹的函数式编程语言编写的函数没有变量,因此,任意一个函数,只要输入是确定的,输出就是确定的,这种纯函数我们称之为没有副作用。而允许使用变量的程序设计语言,由于函数内部的变量状态不确定,同样的输入,可能得到不同的输出,因此,这种函数是有副作用的。
函数式编程的一个特点就是,允许把函数本身作为参数传入另一个函数,还允许返回一个函数!
Python对函数式编程提供部分支持。由于Python允许使用变量,因此,Python不是纯函数式编程语言。
1.1 高阶函数
高阶函数英文叫Higher-order function。
1.11 变量可以指向函数
以Python内置的求绝对值的函数abs()为例,调用该函数用以下代码:
>>> abs(-10)
10
但是,如果只写abs
呢?
>>> abs
<built-in function abs>
可见,abs(-10)
是函数调用,而abs
是函数本身。
函数名也是变量
那么函数名是什么呢?函数名其实就是指向函数的变量!对于abs()这个函数,完全可以把函数名abs
看成变量,它指向一个可以计算绝对值的函数!
传入函数
既然变量可以指向函数,函数的参数能接收变量,那么一个函数就可以接收另一个函数作为参数,这种函数就称之为高阶函数。
一个最简单的高阶函数:
def add(x, y, f):
return f(x) + f(y)
当我们调用add(-5, 6, abs)
时,参数x
,y
和f
分别接收-5,6和abs,根据函数定义,我们可以推导计算过程为:
x = -5
y = 6
f = abs
f(x) + f(y) ==> abs(-5) + abs(6) ==> 11
return 11
用代码验证一下:
>>> add(-5, 6, abs)
11
编写高阶函数,就是让函数的参数能够接收别的函数。
把函数作为参数传入,这样的函数称为高阶函数,函数式编程就是指这种高度抽象的编程范式。
1.11 map/reduce
Python内建了map()
和reduce()
函数。
我们先看map。map()
函数接收两个参数,一个是函数,一个是Iterable
,map
将传入的函数依次作用到序列的每个元素,并把结果作为新的Iterator
返回。
举例说明,比如我们有一个函数f(x)=x2
,要把这个函数作用在一个list [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
上,就可以用map()
实现如下:
>>> def f(x):
... return x * x
...
>>> r = map(f, [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])
>>> list(r)
[1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]
map()
传入的第一个参数是f
,即函数对象本身。由于结果r
是一个Iterator
,Iterator
是惰性序列,因此通过list()函数让它把整个序列都计算出来并返回一个list
。
你可能会想,不需要map()
函数,写一个循环,也可以计算出结果:
L = []
for n in [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]:
L.append(f(n))
print(L)
reduce
把一个函数作用在一个序列[x1, x2, x3, ...]
上,这个函数必须接收两个参数,reduce
把结果继续和序列的下一个元素做累积计算,其效果就是:
reduce(f, [x1, x2, x3, x4]) = f(f(f(x1, x2), x3), x4)
比方说对一个序列求和,就可以用reduce
实现:
>>> from functools import reduce
>>> def add(x, y):
... return x + y
...
>>> reduce(add, [1, 3, 5, 7, 9])
25
把str
转换为int
的函数:
>>> from functools import reduce
>>> def fn(x, y):
... return x * 10 + y
...
>>> def char2num(s):
... return {'0': 0, '1': 1, '2': 2, '3': 3, '4': 4, '5': 5, '6': 6, '7': 7, '8': 8, '9': 9}[s]
...
>>> reduce(fn, map(char2num, '13579'))
13579
整理成一个str2int
的函数就是:
from functools import reduce
def str2int(s):
def fn(x, y):
return x * 10 + y
def char2num(s):
return {'0': 0, '1': 1, '2': 2, '3': 3, '4': 4, '5': 5, '6': 6, '7': 7, '8': 8, '9': 9}[s]
return reduce(fn, map(char2num, s))
还可以用lambda
函数进一步简化成:
from functools import reduce
def char2num(s):
return {'0': 0, '1': 1, '2': 2, '3': 3, '4': 4, '5': 5, '6': 6, '7': 7, '8': 8, '9': 9}[s]
def str2int(s):
return reduce(lambda x, y: x * 10 + y, map(char2num, s))
也就是说,假设Python没有提供int()
函数,你完全可以自己写一个把字符串转化为整数的函数,而且只需要几行代码!
lambda函数的用法在后面介绍。
1.12 filter
Python内建的filter()
函数用于过滤序列。
和map()
类似,filter()
也接收一个函数和一个序列。和map()
不同的是,filter()
把传入的函数依次作用于每个元素,然后根据返回值是True
还是False
决定保留还是丢弃该元素。
例如,在一个list中,删掉偶数,只保留奇数,可以这么写:
def is_odd(n):
return n % 2 == 1
list(filter(is_odd, [1, 2, 4, 5, 6, 9, 10, 15]))
# 结果: [1, 5, 9, 15]
把一个序列中的空字符串删掉,可以这么写:
def not_empty(s):
return s and s.strip()
list(filter(not_empty, ['A', '', 'B', None, 'C', ' ']))
# 结果: ['A', 'B', 'C']
可见用filter()
这个高阶函数,关键在于正确实现一个“筛选”函数。
注意到filter()
函数返回的是一个Iterator
,也就是一个惰性序列,所以要强迫filter()
完成计算结果,需要用list()
函数获得所有结果并返回list
。
练习:回数是指从左向右读和从右向左读都是一样的数,例如12321,909。请利用filter()滤掉非回数:
def is_palindrome(n):
return str(n)[::1]==str(n)[::-1]
output = filter(is_palindrome, range(1,1000))
print(list(output))
1.1.3 sorted
排序也是在程序中经常用到的算法。无论使用冒泡排序还是快速排序,排序的核心是比较两个元素的大小。如果是数字,我们可以直接比较,但如果是字符串或者两个dict呢?直接比较数学上的大小是没有意义的,因此,比较的过程必须通过函数抽象出来。
sorted()
函数也是一个高阶函数,它还可以接收一个key
函数来实现自定义的排序,例如按绝对值大小排序:
>>> sorted([36, 5, -12, 9, -21], key=abs)
[5, 9, -12, -21, 36]
练习
假设我们用一组tuple表示学生名字和成绩:
L = [('Bob', 75), ('Adam', 92), ('Bart', 66), ('Lisa', 88)]
·
请用sorted()
对上述列表分别按名字排序:
L = [('Bob', 75), ('Adam', 92), ('Bart', 66), ('Lisa', 88)]
def by_name(t):
return t[0]
def by_score(t):
return t[1]
L2=sorted(L,key=by_name)
L3=sorted(L,key=by_score,reverse=True)
print (L2)
print (L3)