by wangyin

很早的時候，“函數(shù)式語言”對于我來說就是 Lisp，因為 Lisp 可以在程序的幾乎任意位置定義函數(shù)，并且把它們作為值來傳遞（這叫做 first-class function）?？墒堑胶髞碛腥烁嬖V我，Lisp 其實不算“函數(shù)式語言”，因為 Lisp 的函數(shù)不“純”（pure）。

所謂“純函數(shù)”，就是像數(shù)學函數(shù)一樣，你給它同樣的輸入，它就給你同樣的輸出。然后你就發(fā)現(xiàn)在這種定義下，幾乎所有程序語言里面的隨機數(shù)函數(shù)（random），都不是“純函數(shù)”。因為每一次調(diào)用?random()，輸入都是一樣的（沒有參數(shù)），但每次會輸出不同的隨機數(shù)。他們告訴我，不純的函數(shù)容易出錯，沒法驗證它的正確性。

在這種害怕自己用的語言“不純”，不安全的恐慌之下，我開始接觸 Haskell，一種號稱“純函數(shù)式”，安全的語言。我深信 Haskell 的純函數(shù)教條長達幾年之久，對其它語言里的“副作用”（side-effect）嗤之以鼻。我認為宇宙的本質(zhì)是純的，數(shù)學就是宇宙的終極語言，所以程序語言也應該像數(shù)學一樣純粹……

你有沒有意識到，所有的邪教頭子最初都是利用了人們的恐懼心理，進而讓他們深信不疑，以為遇到了救世主的？當我多次碰壁，猛然醒悟的時候，我發(fā)現(xiàn) Haskell 就是這樣一種邪教 :p

每一種宗教都有一個神秘的，體現(xiàn)自己“精神”的徽標。Haskell 的是這個樣子：

當一個初學者進入 Haskell 的 IRC 聊天室的時候，老手們會極其耐心地問答他的問題。他們告訴他，Haskell 社區(qū)是最友好，最不宗教，最講科學和理性的社區(qū)?？墒蔷枚弥?，你發(fā)現(xiàn)其實不是那個樣子。他們對你友好，當且僅當你沒有指出 Haskell 的致命缺陷。如果你知道了那些缺陷，要跟他們討論的時候，就會發(fā)現(xiàn)一切都變了。他們會說，你懂不起！我們是科學家！如果你不承認這一點，我們就殺了你！:p

Haskell 的社區(qū)喜歡在他們的概念里省掉“純”這個字，把 Haskell 叫做“函數(shù)式語言”。他們喜歡“糾正”別人的概念。他們告訴人們，“不純”的函數(shù)式語言，其實都不配叫做“函數(shù)式語言”。在他們的這種定義下，Lisp 這么老牌的函數(shù)式語言，居然都不能叫“函數(shù)式語言”了。但是看完這篇文章你就會發(fā)現(xiàn)，其實他們的這種定義是狹隘和錯誤的。

在 Haskell 里面，你不能使用通常語言里面都有的賦值語句，比如 Pascal 里的?x:=1，C 和 Java 里的?x=1，或者 Scheme 里的?(set! x 1)，Common Lisp 里的?(setq x 1)。這樣一來，你就不可能保留“狀態(tài)”（state）。所謂“狀態(tài)”，就是指“隨機數(shù)種子”那樣的東西，其實本質(zhì)上就是“全局變量”。比如，在 C 語言里定義?random()?函數(shù)，你可以這么做：

int random() { ?

????static int seed = 0; ?

????seed = next_random(seed); ?

????return seed; } ? ?

這里的?seed?是一個“static 變量”，其本質(zhì)就是一個全局變量，只不過這個全局變量只能被?random?這一個函數(shù)訪問。每次調(diào)用?random()，它都會使用?next_random(seed)?生成下一個隨機數(shù)，并且把?seed?的值更新為這個新的隨機數(shù)。在?random()?的執(zhí)行結(jié)束之后，seed?會一直保存這個值。下一次調(diào)用?random()，它就會根據(jù)?seed?保存的值，算出下一個隨機數(shù)，然后再次更新?seed，如此繼續(xù)。這就是為什么每一次調(diào)用?random()，你都會得到不同的隨機數(shù)。

可是在 Haskell 里面情況就很不一樣了。由于 Haskell 不能保留狀態(tài)，所以同一個“變量”在它作用域的任何位置都具有相同的值。每一個函數(shù)只要輸入相同，就會輸出同樣的結(jié)果。所以在 Haskell 里面，你不能輕松的表達?random?這樣的“不純函數(shù)”。為了讓?random?在每次調(diào)用得到不同的輸出，你必須給它“不同的輸入”。那怎么才能給它不同的輸入呢？Haskell 采用的辦法，就是把“種子”作為輸入，然后返回兩個值：新的隨機數(shù)和新的種子，然后想辦法把這個新的種子傳遞給下一次的?random?調(diào)用。所以 Haskell 的?random?的“線路”看起來像這個樣子：

（舊種子）---> （新隨機數(shù)，新種子）

現(xiàn)在問題來了。得到的這個新種子，必須被準確無誤的傳遞到下一個使用?random?的地方，否則你就沒法生成下一個隨機數(shù)。因為沒有地方可以讓你“暫存”這個種子，所以為了把種子傳遞到下一個使用它的地方，你經(jīng)常需要讓種子“穿過”一系列的函數(shù)，才能到達目的地。種子經(jīng)過的“路徑”上的所有函數(shù)，必須增加一個參數(shù)（舊種子），并且增加一個返回值（新種子）。這就像是用一根吸管扎穿這個函數(shù)，兩頭通風，這樣種子就可以不受干擾的通過。

所以你看到了，為了達到“純函數(shù)”的目標，我們需要做很多“管道工”的工作，這增加了程序的復雜性和工作量。如果我們可以把種子存放在一個全局變量里，到需要的時候才去取，那就根本不需要把它傳來傳去的。除?random()?之外的代碼，都不需要知道種子的存在。

為了減輕視覺負擔和維護這些進進出出的“狀態(tài)”，Haskell 引入了一種叫 monad 的概念。它的本質(zhì)是使用類型系統(tǒng)的“重載”（overloading），把這些多出來的參數(shù)和返回值，掩蓋在類型里面。這就像把亂七八糟的電線塞進了接線盒似的，雖然表面上看起來清爽了一些，底下的復雜性卻是不可能消除的。有時候我很納悶，在其它語言里易如反掌的事情，為什么到 Haskell 里面就變成了“研究性問題”，很多時候就是 monad 這東西在搗鬼。特別是當你有多個“狀態(tài)”的時候，你就需要使用像 monad transformer 這樣的東西。而 monad transformer 在本質(zhì)上其實是一個丑陋的 hack，它并不能從根本上解決問題，卻可以讓你傷透腦筋也寫不出來。有些人以為會用 monad 和 monad transformer 就說明他水平高，其實這根本就是自己跟自己過不去而已。

當談到 monad 的時候，我喜歡打這樣一個比方：

使用含有 monad 的“純函數(shù)式語言”，就像生活在一個沒有電磁波的世界。

在這個世界里面沒有收音機，沒有手機，沒有衛(wèi)星電視，沒有無線網(wǎng)，甚至沒有光！這個世界里的所有東西都是“有線”的。你需要絞盡腦汁，把這些電線準確無誤的通過特殊的“接線器”（monad）連接起來，才能讓你的各種信息處理設(shè)備能夠正常工作，才能讓你自己能夠看見東西。如果你想生活在這樣的世界里的話，那就請繼續(xù)使用 Haskell。

其實要達到純函數(shù)式語言的這種“純”的效果，你根本不需要使用像 Haskell 這樣完全排斥“賦值語句”的語言。你甚至不需要使用 Lisp 這樣的“非純”函數(shù)式語言。你完全可以用 C 語言，甚至匯編語言，達到同樣的效果。

我只舉一個非常簡單的例子，在 C 語言里面定義如下的函數(shù)。雖然函數(shù)體里面含有賦值語句，它卻是一個真正意義上的“純函數(shù)”：

int f(int x) { ? ?

????int y = 0; ? ?

????int z = 0; ? ?

????y = 2 * x; ? ?

????z = y + 1; ? ?

????return z / 3; } ? ?

這是為什么呢？因為它計算的是數(shù)學函數(shù)?f(x) = (2x+1)/3?。你給它同樣的輸入，肯定會得到同樣的輸出。函數(shù)里雖然對?y?和?z?進行了賦值，但這種賦值都是“局部”的，它們不會留下“狀態(tài)”。所以這個函數(shù)雖然使用了被“純函數(shù)程序員”們唾棄的賦值語句，卻仍然完全的符合“純函數(shù)”的定義。

如果你研究過編譯器，就會理解其中的道理。因為這個函數(shù)里的?y?和?z，不過是函數(shù)的“數(shù)據(jù)流”里的一些“中間節(jié)點”，它們的用途是用來暫存一些“中間結(jié)果”。這些局部的賦值操作，跟函數(shù)調(diào)用時的“參數(shù)傳遞”沒有本質(zhì)的區(qū)別，它們不過都是把信息傳送到指定的節(jié)點而已。如果你不相信的話，我現(xiàn)在就可以把這些賦值語句全都改寫成函數(shù)調(diào)用：

int f(int x) { ??

????return g(2 * x); }?

int g(int y) { ? ?

????return h(y + 1); }?

int h(int z) { ? ?

return z/3; } ? ?

很顯然，這兩個 f 的定義是完全等價的，然而第二個定義卻沒有任何賦值語句。第一個函數(shù)里對?y?和?z?的“賦值語句”，被轉(zhuǎn)換成了等價的“參數(shù)傳遞”。這兩個程序如果經(jīng)過我寫的編譯器，會生成一模一樣的機器代碼。所以如果你說賦值語句是錯誤的話，那么函數(shù)調(diào)用也應該是錯誤的了。那我們還要不要寫程序了？

盲目的排斥賦值語句，來自于對“純函數(shù)”這個概念的片面理解。很多研究像 Haskell，ML 一類語言的專家，其實并不明白我上面講的道理。他們仿佛覺得如果使用了賦值，函數(shù)就肯定不“純”了似的。CMU 的教授 Robert Harper 就是這樣一個極端。他在一篇博文里指出，人們不應該把程序里的“變量”叫做“變量”，因為它跟數(shù)學和邏輯學里所謂的“變量”不是一回事，它可以被賦值。然而，其果真如他所說的那樣嗎？如果你理解了我對上面的例子的分析，你就會發(fā)現(xiàn)其實程序里的“變量”，跟數(shù)學和邏輯學里面的“變量”相比，其實并沒有本質(zhì)的不同。

程序里的變量甚至更加嚴格一些。如果你把數(shù)學看作一種程序語言的話，恐怕沒有一本數(shù)學書可以編譯通過。因為它們里面充滿了變量名沖突，未定義變量，類型錯誤等程序設(shè)計的低級錯誤。你只需要注意概率論里表示隨機數(shù)的大寫變量（比如 X），就會發(fā)現(xiàn)數(shù)學所謂的“變量”其實是多么的不嚴謹。這變量 X 根本不需要被賦值，它自己身上就帶“副作用”！實際上，90%以上的數(shù)學家都寫不出像樣的程序來。所以拿數(shù)學的“變量”來衡量程序語言的“變量”，其實是顛倒了。我們應該用程序的“變量”來衡量數(shù)學的“變量”，這樣數(shù)學的語言才會有所改善。

邏輯學家雖然有他們的價值，但他們并不是先知，并不總是對的。由于沉迷于對符號的熱愛，他們經(jīng)?？床坏绞挛锏谋举|(zhì)。雖然他們理解很多符號公式和推理規(guī)則，但他們卻經(jīng)常不明白這些符號和推理規(guī)則，到底代表著自然界中的什么物體，所以有時候他們連最基本的問題都會搞錯（比如他們有時候會混淆“全稱量詞”?的作用域）。邏輯學家們的教條主義和崇古作風，也許就是圖靈當年在 Church 手下做學生那么孤立，那么痛苦的原因。也就是這個圖靈，在某種程度上超越了 Church，把一部分人從邏輯學的死板思維模式下解放了出來，變成了“計算機科學家”。當然其中某些計算機科學家墮入了另外一種極端，他們對邏輯學已有的精華一無所知，所以搞出一些完全沒有原則的設(shè)計，然而這不是這篇文章的主題。

所以綜上所述，我們完全沒有必要追求什么“純函數(shù)式語言”，因為我們可以在不引起混淆的前提下使用賦值語句，而寫出真正的“純函數(shù)”來?？梢宰杂傻膶ψ兞窟M行賦值的語言，其實超越了通常的數(shù)理邏輯的表達能力。如果你不相信這一點，就請想一想，數(shù)理邏輯的公式有沒有能力推斷出明天的天氣？為什么天氣預報都是用程序算出來的，而不是用邏輯公式推出來的？所以我認為，程序其實在某種程度上已經(jīng)成為比數(shù)理邏輯更加強大的邏輯。完全用數(shù)理邏輯的思維方式來對程序語言做出評價，其實是很片面的。

說了這么多，對于“函數(shù)式語言”這一概念的誤解，應該消除得差不多了。其實“函數(shù)式語言”唯一的要求，應該是能夠在任意位置定義函數(shù)，并且能夠把函數(shù)作為值傳遞，不管這函數(shù)是“純”的還是“不純”的。所以像 Lisp 和 ML 這樣的語言，其實完全符合“函數(shù)式語言”這一稱號。