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

2022-09-17 16:44:12

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。

Reason学习文档

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

详见Reason的介绍和搭建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);

let five = foo^; 

foo := 6;   //foo===five===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

第 5 章: 代码组合（compose）

  • 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）
*->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。

相关资料
Reason->Module Functions

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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