用函数式编程,从0开发3D引擎和编辑器(二):函数式编程准备
(本文已过期,请看从0开发3D引擎(五):函数式编程及其在引擎中的应用)
大家好,本文介绍了本系列涉及到的函数式编程的主要知识点,为正式开发做好了准备。
函数式编程的优点
1.粒度小
相比面向对象编程以类为单位,函数式编程以函数为单位,粒度更小。
正所谓:
我只想要一个香蕉,而面向对象却给了我整个森林
2.性能好
大部分人认为函数式编程差,主要基于下面的理由(参考 JavaScript 函数式编程存在性能问题么?):
1)柯西化、函数组合等操作增加时间开销
2)map、reduce等操作,会进行多次遍历,增加时间开销
3)Immutable数据每次操作都会被拷贝为新的数据,增加时间和内存开销
而我说性能好,是指通过“Reason的编译优化+Immutable/Mutable结合使用+递归/迭代结合使用”,可以解决这些问题:
1)由于Bucklescript编译器在编译时的优化,柯西化等操作和Immutable数据被编译成了优化过的js代码,大幅减小了时间开销
2)由于Reason支持Mutable和for,while迭代操作,所以可以在性能热点使用它们,提高性能。
3.擅长处理数据,适合3D领域编程
通过高阶函数、柯西化、组合等工具,函数式编程可以像流水线一样对数据进行管道操作,非常方便。
3D程序有大量的数据要操作,从函数式编程的角度来看:
3D程序=数据+逻辑
因此,我们可以:
使用Immutable/Mutable、Data Oriented等思想和数据结构表达数据;
使用函数表达逻辑;
使用组合、柯西化等工具,把数据和逻辑关联起来。
更多讨论
FP之优点
函数式编程(Functional Programming)相比面向对象编程(Object-oriented Programming)有哪些优缺点?
本系列使用的函数式编程语言
我们使用Reason语言,它是从Ocaml而来的,属于非纯函数式编程语言。
而我们熟知的Haskell,属于纯函数式编程语言。
为什么不用纯函数式编程语言
1.更高的性能
Reason支持Mutable、迭代操作,提高了性能
2.更简单易用
1)允许非纯操作,所以不需要使用Haskell中的各种Monad
2)严格求值相对于惰性求值更简单。
搭建Reason开发环境
本系列涉及的函数式编程知识点
数据
- Immutable
介绍
创建不可变数据之后,对其任何的操作,都会返回一个拷贝后的新数据。
示例
Reason的变量默认为immutable:
let a = 1;
/* a为immutable */
Reason也有专门的不可变数据结构,如Tuple,List,Record。
这里以Record为例,它类似于Javascript中的Object:
首先定义Record的类型:
type person = {
age: int,
name: string
};
然后定义Record的值:
let me = {
age: 5,
name: "Big Reason"
};
使用这个Record,如修改"age"的值:
let newMe = {
...me,
age: 10
};
Js.log(newMe === me); /* false */
newMe是从me拷贝而来,任何对newMe的修改,都不会影响me。
在Wonder中的应用
在编辑器中的应用
编辑器的所有数据都是Immutable的,这样的好处是:
1)不用关心数据之间的关联关系,因为每个数据都是独立的
2)不用担心状态被修改,减少了很多bug
3)实现Redo/Undo功能时非常简单,直接把Immutable的数据压入History的栈里即可,不用深拷贝/恢复数据。
在引擎中的应用
大部分函数的局部变量都是Immutable的(如使用tuple,record结构)。
相关资料
Reason->Let Binding
Reason->Record
facebook immutable.js 意义何在,使用场景?
Introduction to Immutable.js and Functional Programming Concepts
- Mutable
介绍
对可变数据的任何操作,都会直接修改原数据。
示例
Reason通过"ref"关键字,标志变量为Mutable。
let foo = ref(5);
//将foo的值取出来,设置到five这个Immutable变量中
let five = foo^;
//修改foo的值为6,five的值仍然为5
foo := 6;
Reason也可以通过"mutable"关键字,标志Record的字段为Mutable。
type person = {
name: string,
mutable age: int
};
let baby = {name: "Baby Reason", age: 5};
baby.age = baby.age + 1; /* 修改原数据baby的age为6 */
在Wonder中的应用
因为操作Mutable数据不会造成拷贝,没有垃圾回收cg的开销,所以在性能热点处,常常使用Mutable数据。
相关资料
Reason->Mutable
函数
函数是第一公民,函数是数据。
相关资料:
如何理解在 JavaScript 中 "函数是第一等公民" 这句话?
Reason->Function
- 纯函数
介绍
纯函数是这样一种函数,即相同的输入,永远会得到相同的输出,而且没有任何可观察的副作用。
示例
let a = 1;
/* func2是纯函数 */
let func2 = value => value;
/* func1是非纯函数,因为使用了外部变量"a" */
let func1 = () => a;
在Wonder中的应用
脚本的钩子函数(如init,update,dispose等函数)属于纯函数(但不能算严格的纯函数),这样是为了:
1)能够正确序列化
脚本会先序列化为字符串,保存在文件中(如编辑器导出的包中);
然后在导入该文件时(如编辑器导入包),将脚本字符串反序列化为函数(执行:eval('(' + funcStr + ')'))。如果脚本的钩子函数不是纯函数(如调用了外部变量),则会报错。
2)支持多线程
目前脚本是在主线程执行的,但因为它是纯函数,所以未来可以放在单独的脚本线程中执行,提高性能。
注意:
虽然纯函数好处很多,但Wonder中大多数的函数都是非纯函数,这是因为:
1)为了性能
2)为了简单易用,所以允许副作用,很少使用容器
相关资料
第 3 章:纯函数的好处
- 高阶函数
介绍
函数能够作为数据,成为高阶函数的参数或者返回值。
示例
let func1 = func => func(1);
let func2 = value => value * 2;
func1(func2); /* func1是高阶函数,因为func2是func1的参数 */
在Wonder中的应用
多个函数中常常有一些共同的逻辑,需要消除重复,可以通过提出一个私有的高阶函数来解决。具体示例如下:
重构前:
let add1 = value => value + 2;
let add2 = value => value + 10;
let minus1 = value => value - 10;
let minus2 = value => value - 200;
let compute1 = value => value |> add1 |> minus1;
let compute2 = value => value |> add2 |> minus2;
/* compute1,compute2有重复逻辑 */
重构后:
...
let _compute = (value, (addFunc, minusFunc)) =>
value |> addFunc |> minusFunc;
let compute1 = value => _compute(value, (add1, minus1));
let compute2 = value => _compute(value, (add2, minus2));
相关资料
理解 JavaScript 中的高阶函数
- 柯西化
介绍
只传递给函数一部分参数来调用它,让它返回一个函数去处理剩下的参数。
你可以一次性地调用 curry 函数,也可以每次只传一个参数分多次调用。
示例
let func1 = (value1, value2) => value1 + value2;
let func2 = func1(1);
func2(2); /* 3 */
在Wonder中的应用
应用的地方太多了,此处省略。
相关资料
第 4 章: 柯里化(curry)
Currying
类型
相关资料
The "Understanding F# types" series
- 基本类型
介绍
Reason是强类型语言,包含int、float、string等基本类型。
示例
type a = string; /* 定义a为string类型 */
let str:a = "zzz"; /* 变量str为a类型 */
在Wonder中的应用
类型在wonder中应用广泛,包括以下的使用场景:
1)类型驱动设计
2)领域建模
3)枚举
相关资料
Reason->Type
Algebraic type sizes and domain modelling
- Discriminated Union Type
介绍
类型可以接受参数,还可以组合其它的类型。
示例
type result('a, 'b) =
| Ok('a)
| Error('b);
type myPayload = {data: string};
let payloadResults: list(result(myPayload, string)) = [
Ok({data: "hi"}),
Ok({data: "bye"}),
Error("Something wrong happened!")
];
在Wonder中的应用
1)作为容器的实现
2)是实现本文后面的Recursive Type的基础
相关资料
Reason->Type Argument
Reason->Null, Undefined & Option
Discriminated Unions
- 抽象类型
介绍
有时候我们想定义一个类型,它不是某一个具体的类型,可以将其定义为抽象类型。
示例
type value;
type a = value; /* a为value类型 */
在Wonder中的应用
包括以下的使用案例:
1)在封装WebGL api的FFI中(什么是FFI?),把WebGL的上下文定义为抽象类型。
示例代码如下:
/* FFI */
/* 抽象类型 */
type webgl1Context;
[@bs.send]
external getWebgl1Context : ('canvas, [@bs.as "webgl"] _) => webgl1Context = "getContext";
[@bs.send.pipe: webgl1Context]
external viewport : (int, int, int, int) => unit = "";
/* client code */
/* canvasDom是canvas的dom,此处省略了获取它的代码 */
/* gl是webgl1Context类型 */
/* 编译后的js代码为:var gl = canvasDom.getContext("webgl"); */
let gl = getWebgl1Context(canvasDom);
/* 编译后的js代码为:gl.viewport(0,0,100,100); */
gl |> viewport(0,0,100,100);
2)脚本->属性->value可以为int或者float类型,因此将value设为抽象类型,并且定义抽象类型和int、float类型之间的转换FFI。
示例代码如下:
type scriptAttributeType =
| Int
| Float;
/* 抽象类型 */
type scriptAttributeValue;
type scriptAttributeField = {
type_: scriptAttributeType,
value: scriptAttributeValue
};
/* 定义scriptAttributeValue和int,float类型相互转换的FFI */
external intToScriptAttributeValue: int => scriptAttributeValue = "%identity";
external floatToScriptAttributeValue: float => scriptAttributeValue =
"%identity";
external scriptAttributeValueToInt: scriptAttributeValue => int = "%identity";
external scriptAttributeValueToFloat: scriptAttributeValue => float =
"%identity";
/* client code */
/* 创建scriptAttributeField,设置value的数据(int类型) */
let scriptAttributeField = {
type_: Int,
value:intToScriptAttributeValue(10)
};
/* 修改scriptAttributeField->value */
let newScriptAttributeField = {
...scriptAttributeField,
value: (scriptAttributeValueToInt(scriptAttributeField.value) + 1) |> intToScriptAttributeValue
};
相关资料
抽象类型(Abstract Types)
- Recursive Type
介绍
从类型定义上看,可以看成是Discriminated Union Type,只是其中至少有一个union type为自身类型,即递归地指向自己。
示例
还是看代码好理解点,具体示例如下:
type nodeId = int;
/* tree是Recursive Type,它的文件夹节点包含了子节点,而子节点的类型为自身 */
type tree =
| LeafNode(nodeId)
| FolderNode(
nodeId,
array(tree),
);
在Wonder中的应用
在编辑器中的应用
Recursive Type常用在树中,如编辑器的资产树的类型就是Recursive Type。
相关资料
The "Recursive types and folds" series
Map as a Recursion Scheme in OCaml
过程
- 组合
介绍
多个函数可以组合起来,使得前一个函数的返回值是后一个函数的输入,从而对数据进行管道处理。
示例
let func1 = value => value1 + 1;
let func2 = value => value1 + 2;
10 |> func1 |> func2; /* 13 */
在Wonder中的应用
在引擎中的应用
组合可以应用在多个层面,如函数层面和job层面。
job = 多个函数的组合
我们来看下job组合的应用示例:
从时间序列上来看:
引擎=初始化+主循环
而初始化和每一次循环,都是多个job组合而成的管道操作:
初始化 = create_canvas |> create_gl |> ...
每一次循环 = tick |> dispose |> reallocate_cpu_memory |> update_transform |> ...
相关资料
- 递归
介绍
遍历操作可以分成两类:
迭代
递归
递归就是指函数调用自己,满足终止条件时结束。如深度优先遍历是递归操作,而广度优先遍历是迭代操作。
注意:
尽量写成尾递归,这样Reason会将其编译成迭代操作。
示例
let rec func1 = (value, result) => {
value > 3 ? result : func1(value + 1, result + value);
};
func1(1, 0); /* 0+1+2+3=6; */
在Wonder中的应用
几乎所有的遍历都是尾递归,只有在少数使用Mutable和少数性能热点的地方,使用迭代操作(使用for或while命令)。
相关资料
什么是尾递归?
Reason->Recursive Functions
- 模式匹配
介绍
使用switch结构代替if else处理程序分支。
示例
let func1 = value => {
switch(value){
| 0 => 10
| _ => 100
}
};
func1(0); /* 10 */
func1(2); /* 100 */
在Wonder中的应用
主要用在下面三种场景:
1)取出容器的值
type a =
| A(int)
| B(string);
switch(a){
| A(value) => value
| B(value) => value
};
2)处理Option
let a = Some(1);
switch(a){
| None => ...
| Some(value) => ...
}
3)处理枚举类型
type a =
| A
| B;
switch(a){
| A => ...
| B => ...
}
相关资料
Reason->Pattern Matching!
模式匹配
异步
- 函数反应式编程
介绍
处理异步,主要有以下的方法:
1)回调函数
缺点:过多的回调导致嵌套层次太深,容易陷入回调地狱,不易维护。
2)Promise
3)await,aync
4)使用函数反应式编程的流
优点:能够使用组合,像管道处理一样处理各种流,符合函数式编程的思维。
Wonder使用流来处理异步,其中也用到了Promise,不过都被封装成了流。
示例
使用most库实现FRP,因为它的性能比Rxjs更好。
/*
输出:
next:2
next:4
next:6
complete
*/
let subscription =
Most.from([|1, 2, 3|])
|> Most.map(value => value * 2)
|> Most.subscribe({
"next": value => Js.log2("next:", value),
"error": e => Js.log2("error:", e##message),
"complete": () => Js.log("complete"),
});
在Wonder中的应用
凡是异步操作,如事件处理、多线程等,都用流来处理。
相关资料
你一直都错过的反应型编程
函数式反应型编程 (FRP) —— 实时互动应用开发的新思路
函数式响应型编程(Functional Reactive Programming)会在什么问题上有优势?
容器
- 容器
介绍
为了领域建模,或者为了保证纯函数而隔离副作用,需要把值封装到容器中。外界只能操作容器,不直接操作值。
示例
1)领域建模示例
比如我们要开发一个图书管理系统,需要对“书”进行建模。
书有书号、页数这两个数据,有小说书、技术书两种类型。
建模为:
type bookId = int;
type pageNum = int;
type book =
| Novel(bookId, pageNum)
| Technology(bookId, pageNum);
现在我们创建一本小说,一本技术书,以及它们的集合:
let novel = Novel(0, 100);
let technology = Technology(1, 200);
let bookList = [
novel,
technology
];
对“书”这个容器进行操作:
let getPage = (book) =>
switch(book){
| Novel(_, page) => page
| Technology(_, page) => page
};
let setPage = (page, book) =>
switch(book){
| Novel(bookId, _) => Novel(bookId, page)
| Technology(bookId, _) => Technology(bookId, page)
};
/* client code */
/* 将技术书的页数设置为集合中所有书的总页数 */
let newTechnology =
bookList
|> List.fold_left((totalPage, book) => totalPage + getPage(book), 0)
|> setPage(_, technology);
在Wonder中的应用
包含以下使用场景:
1)领域建模
2)错误处理
3)处理空值
使用Option包装空值。
相关资料
Railway Oriented Programming
The "Map and Bind and Apply, Oh my!" series
强大的容器
Monad
Applicative Functor
多态
- GADT
介绍
全称为Generalized algebraic data type,可以用来实现函数参数多态。
示例
重构前,需要对应每种类型,定义一个isXXXEqual函数:
let isIntEqual = (source: int, target: int) => source == target;
let isStringEqual = (source: string, target: string) => source == target;
isIntEqual(1, 1); /*true*/
isStringEqual("aaa", "aaa"); /*true*/
使用GADT重构后,对应多个类型,只有一个isEqual函数:
type isEqual(_) =
| Int: isEqual(int)
| Float: isEqual(float)
| String: isEqual(string);
let isEqual = (type g, kind: isEqual(g), source: g, target: g) =>
switch (kind) {
| _ => source == target
};
isEqual(Int, 1, 1); /*true*/
isEqual(String, "aaa", "aaa"); /*true*/
在Wonder中的应用
1)契约检查
如需要判断两个变量是否相等,则使用GADT,定义一个assertEqual方法替换assertStringEqual,assertIntEqual等方法。
相关资料
Why GADTs matter for performance(需要FQ)
维基百科->Generalized algebraic data type
- Module Functor
介绍
module可以作为参数,传递给functor,返回一个新的module。
类似于面向对象的“继承”,可以使用函子functor,在基module上扩展出新的module。
示例
module type Comparable = {
type t;
let equal: (t, t) => bool;
};
module MakeAdd = (Item: Comparable) => {
let add = (x: Item.t, newItem: Item.t, list: list(Item.t)) =>
Item.equal(x, newItem) ? list : [newItem, ...list];
};
module A = {
type t = int;
let equal = (x1, x2) => x1 == x2;
};
/* module B有add函数,该方法调用了A.equal函数 */
module B = MakeAdd(A);
let list = B.add(1, 2, []); /* list == [2] */
let list = list |> B.add(1, 1); /* list == [2] */
在Wonder中的应用
在编辑器中的应用
1)错误处理
错误被包装为容器Result;
由于容器Result中的值的类型不一样,所以将Result分成RelationResult、SameDataResult。
这两类Result有共同的模式,因此可以提出基module:Result,然后增加MakeRelationResult、MakeSameDataResult这两个module functor。它们将Result作为参数,返回新的module:RelationResult、SameDataResult,从而消除重复。
函数式编程学习资料
JS 函数式编程指南
这本书作为我学习函数式编程的第一本书,非常容易上手,作者讲得很简单易懂,推荐~
Awesome FP JS
收集了函数式编程相关的资料。
F# for fun and profit
这个博客讲了很多F#相关的函数式编程的知识,非常推荐!
如果你正在使用Reason或者Ocaml或者F#语言,建议到该博客中学习!
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