函数式、命令式与面向对象编程：深入比较与选择指南

这是文章《比较函数式编程、命令式编程和面向对象编程》的第1部分（共3部分）。

内容片段:

由于Oracle公司在Java SE 8中引入了一些函数式特性，现在大多数面试官都会提出关于函数式编程的问题。作为Java/Groovy/Scala开发人员或任何函数式编程开发人员，我们应该学习以下问题和答案，以便在面试中表现出色。

1. 什么是函数式编程？
2. 函数式编程的“优点和缺点”是什么？
3. 函数式编程和命令式编程之间有什么区别？
4. 函数式编程和面向对象编程有什么区别？
5. 函数式编程、命令式编程和面向对象编程之间有什么区别？
6. 函数式编程相对于命令式编程和面向对象编程的主要优势是什么？
7. 何时使用函数式编程？
8. 何时使用面向对象编程？
9. 面向对象编程有哪些缺点？
10. 面向对象编程——继承有哪些缺点？

…还有更多的问题。

在这篇文章中，我们将逐一讨论以下三种流行的编程范式，并回答上述问题：

1. 函数式编程 (FP)
2. 命令式编程 (IP)
3. 面向对象编程 (OOP)

什么是函数式编程？

简单来说，函数式编程（FP）是一种流行的编程范式，它像数学函数一样进行计算，而不改变状态和数据。在函数式编程中，函数是第一类公民。我们通过定义一组函数和不可变数据来编写程序。函数式编程语言的例子有：Scala、Haskell、Erlang等都是流行的函数式编程语言。Java SE 8也具有一些函数式构造（请参考Java 8的相关文章以获取更多详细信息）。

FP具有哪些特征？

像Scala这样的函数式编程语言具有以下特点：

1. 状态不存在。
2. 函数式编程不包含状态。这意味着所有数据都是不可变数据，函数不能改变状态。
3. 执行顺序的重要性较低。
4. 在函数式语言中，我们使用一组独立的函数编写程序。函数包含一组语句。在函数式编程中，这些函数的执行顺序并不重要，因为它们没有状态，所有函数都可以独立工作。即使我们改变执行顺序，它们仍然会产生相同的结果。
5. 无状态编程模型。
6. 所有函数式程序使用不可变数据和函数，这些函数不能修改数据。这意味着函数式编程语言支持无状态编程模型。
7. 函数是一等公民。
8. 在函数式编程语言中，函数是一等对象。函数是独立的单元，我们可以以任意顺序执行它们。
9. 主要的操作单元。
10. 在函数式编程语言中，主要的操作单元是函数和数据结构，因为所有程序都是由这些单元组成的。
11. 模块化编程。
12. 在函数式编程语言中，我们需要编写更小、独立的单元，称为纯函数，以支持无状态编程模型。这意味着函数式编程比面向对象编程支持更好的模块化。
13. 高阶函数和惰性求值。
14. 函数式编程语言应支持高阶函数和惰性求值功能。
15. 主要的流程控制。
16. 函数式编程语言不使用像For…循环、Do…While循环、While…循环等流程控制语句，也不使用条件语句如If…Else或Switch语句。所有函数式编程语言都使用以下内容编写程序：
    • 函数（Functions）
    • 函数调用（Function calls）
    • 带递归的函数调用（Function calls with Recursion）
17. 抽象、封装、继承和多态。
18. 像面向对象编程（OOP）一样，函数式编程语言支持这4个概念：抽象、封装、继承和多态。函数式编程语言通过类型类或隐式支持继承。它们通过泛型实现多态。它也被称为参数化多态性。

FP的主要关注点是什么？

与面向对象语言不同，所有的函数式编程语言程序主要关注的是“你在做什么”或者“要做什么”。它们主要关注以下几个方面：

• 所需的信息，即输入。
• 所需的转换，即实际逻辑。

这意味着FP主要关注的是“应该做什么”。它不太关注“应该如何做”。这就是为什么我们可以像写问题域描述一样编写函数式编程。这也是为什么不仅开发人员，其他人也能很容易地理解FP代码的原因。现在我们将讨论函数式编程的“优点和缺点”。

函数式编程的优势是什么？

这是文章《比较功能性编程、命令式编程和面向对象编程》的第2部分（共3部分）。

函数式编程的优点

函数式编程语言具有以下优点：

• 无 Bug 代码
  由于函数式编程（FP）语言不支持状态，它们不会产生任何副作用，这意味着我们可以编写无错误或少错误的代码。
• 高效的并行编程
  由于FP语言没有可变状态，它们不会引发任何状态更改问题。这意味着它们只使用不可变数据。它们使用独立的单元（即“函数”）来编写程序。我们可以编写非常高效的并行或并发程序，因为它们独立运行且不改变状态。
• 更好的性能
  由于FP程序由所有独立单元组成，它们可以并行或并发运行。因此，FP应用程序能获得更好的性能。
• 更好的封装性
  与面向对象编程（OOP）不同，FP通过纯函数支持更好的封装。纯函数意味着没有副作用。
• 支持嵌套函数
  嵌套函数意味着在其他函数中组合函数以解决问题。FP支持嵌套函数。
• 提高可重用性
  由于FP程序由独立的单元（即“函数”）组成，我们可以非常容易地重用它们。
• 更好的模块化
  在FP语言中，我们需要编写更小、更独立的单元，称为纯函数，以支持无状态编程模型。这意味着FP比OOP支持更好的模块化。
• 易于惰性求值
  在FP语言中，编写惰性求值非常容易。它们支持惰性函数构造，如惰性列表、惰性映射等。
• 提高可读性和可维护性
  函数式编程（FP）还提高了可读性和可维护性，因为它们独立工作且不改变状态。
• 提高可测试性
  由于我们使用独立的单元（即“函数”）编写FP程序，我们可以非常容易地对它们进行单元测试。
• 支持行为抽象
  与OOP不同，FP同时支持“数据抽象”和“行为抽象”，因为现实世界同时包含这两者。
• 支持大数据
  由于FP支持并行编程和更好的性能，FP非常适合开发大数据应用程序。
• 健壮可靠的代码
  由于FP使用不可变数据，我们可以很容易地使用FP开发健壮可靠的代码。

函数式编程的缺点

除了众多优点之外，函数式编程语言几乎没有什么可以忽略的缺点。它们仅具有以下方面的不利因素：

• 需要大量内存
  FP没有状态。它们总是创建新对象来执行操作，而不是修改现有对象。因此，FP应用程序会占用大量内存。
• 不关注里氏替换原则

函数式编程的主要概念

以下概念是函数式编程的重要概念之一：

• 一等函数
• 惰性求值
• 高阶函数
• 不可变性（不可变数据）
• 模块化
• 无副作用
• 递归函数调用

什么是命令式编程？

命令式编程（IP）是一种流行的编程范式，它按照一定的顺序执行一系列步骤/指令/语句。IP语言的例子包括：Java、C、C++等。

命令式编程的主要特点是什么？

任何命令式编程（IP）语言都可以包含以下特征：

• 语句序列
• 语句的执行顺序非常重要
• 它们包含状态
• 它们使用可变和不可变数据
• 它们可以改变状态
• 它们可能产生副作用
• 有状态编程模型
• 它们直接改变程序的状态
• 它们用数据字段表示状态

什么是面向对象编程？

面向对象编程（OOP）是另一种编程范式。它将所有事物都表示为对象。每个对象包含一些数据字段和方法。所有面向对象编程都包含状态。它使用可变数据和数据结构。与函数式编程类似，我们可以使用不可变数据编写完整的程序，但它并不强制执行此规则。面向对象编程（OOP）是命令式编程的超集。它遵循命令式编程的所有特征，并增加了一些额外的功能。这些额外的功能包括：

• 万物皆对象
• 每个对象包含一些数据字段和方法
• OOP概念：抽象、封装、继承和多态

与函数式编程语言不同，面向对象编程语言主要关注的是“如何完成”。这意味着作为开发者，我们关注的是“你是如何完成的”。此外，面向对象编程结合了“你在做什么”和“你是如何做的”。这就是为什么我们无法编写简洁且更易读的代码。只有开发者能理解代码，其他人对于理解应用代码会更加困惑，他们无法理解它。

面向对象编程(OOP)的缺点是什么？

尽管面向对象编程解决了许多实时问题，但与函数式编程相比仍然存在以下缺点：

• 它不支持完全的可重用性
• 它不是完全模块化的
• 它破坏了封装概念
• 继承存在许多缺点

继承的主要缺点有哪些？

• 破坏封装原则
• 当继承层级增加时，维护和创建对象变得非常困难。

什么时候应该使用函数式编程？

在以下场景下，我们应该选择使用函数式编程（FP）：

• 当我们需要对固定数据执行大量不同操作时。
• 换句话说，当我们有少量“事物”但需要进行大量“操作”时。

何时使用面向对象编程？

在以下情况下，我们应该采用面向对象编程（OOP）：

• 当我们需要对大量具有共同行为的不同“变体”执行少量操作时。
• 换句话说，当我们有大量“事物”但需要进行少量“操作”时。

注意：这里的“事物”是指真实世界的对象，而“操作”则是真实世界的行为。例如，在Java中，我们将这些真实世界的“事物”表示为“类”，将真实世界的“行为”表示为方法（操作）。

FP和OOP（IP）之间的区别是什么？