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大家好，今天我继续给大家分享干货。熟悉我的人，都知道我真正的干货一般在中间和末尾部分（文章中间部分：有项目文字和视频介绍）。请耐心看完！谢谢。您可以在文章末尾处获取完整的源代码文件。

作为一名热衷于函数式编程的人，我已经非常习惯那种让开发者工作轻松的酷炫函数式编程风格，于是我开始探索如何在C++ 中以函数式编程风格进行编码。我了解到C++ 在最新版本中有许多惊人的特性。在这篇文章中，我们将学习函数式编程的基础知识，以及在C++ 中可以实现其中哪些部分。

前置条件

• 有一些C++ 编程经验
• 对任何一种函数式编程语言或范式有一定经验
• 一个支持C++11 标准的C++ 编译器

让我们开始吧

函数式编程是一种声明式的编程风格。它唯一关注的是“解决什么问题”，而与之相对的命令式编程风格主要关注的是“如何解决问题”。函数式编程使用表达式而非语句。

函数式编程关键概念

• 函数作为一等公民
• 纯函数

函数式编程规则

• 不可变变量：在函数式编程中，变量初始化后就不能再修改。就是不可以。你可以创建新变量，但不能修改已有的变量。
• 无副作用：副作用是指当前正在执行的函数之外的某些状态发生改变。修改函数外部定义的变量、输出到控制台、抛出异常以及从文件中读取数据，这些都是副作用的例子。
• 无状态：函数内部可能有包含临时状态的局部变量，但该函数不能引用它所属类或对象的任何成员变量。状态会导致可变性，进而引发副作用。函数式编程不希望你这么做。

这些是函数式编程的一些关键概念和规则。即使你并非一直遵循所有这些规则，也仍然可以在应用程序中从函数式编程的理念中受益。总之，C++ 从来就不是一门严格或纯粹的函数式编程语言。说实话，函数式编程并非对每个问题都是合适的工具（是的！这是我的观点。未来可能会改变。观点会随着经验而改变！）。目前，让我们来了解函数式编程擅长解决哪些问题。

函数作为一等公民

在函数式编程领域，函数是一等公民。函数被当作与其他任何变量一样对待。例如，一个函数可以作为参数传递给其他函数，也可以赋值给一个变量。

在C++ 中，函数并非一等公民。与之最接近的是lambda 表达式。

auto printText = [](std::string text) { std::cout << text << std::endl; };

上述代码创建了一个lambda 表达式printText，它接受一个参数text，将其打印出来且不返回任何值。[]括号用于指定函数的闭包。关于lambda 表达式的更多信息可以在此处找到。

让我们通过查看如何在C++ 的vector或任何集合上应用诸如filter（过滤）、map（映射）、reduce（归约）等不同的组合子，来了解如何进行函数式编程。以下面这个vector为例：

std::vector<std::string> messages = { "Hello Pal", "How are you?", "I'm still coding in C++" };

`for_each`

std::for_each(messages.begin(), messages.end(), printText);

前两个参数是集合的起始和结束位置。然后，我们传递的第三个参数是一个一元lambda 表达式，它对每个元素进行操作。

让我们创建一个自定义的Student对象的vector，并对其应用这些组合子。

class Student
{
public:
    string _name;
    int _score;
    Student(string name, int score)
    {
        _name = name;
        _score = score;
    }
    void incrementScore() {
        _score += 1;
    }
    string name()
    {
        return _name;
    }
    int score()
    {
        return _score;
    }
};
std::vector<Student> students = {Student("Alice", 85), Student("Bob", 62), Student("Charlie", 81), Student("Jack", 90), Student("Jimmy", 40), Student("Sherlock", 67),};

假设你是老师，想打印学生的详细信息。那么，你可以使用for_each来打印他们的信息。

auto printStudentDetails = [](Student student) { std::cout << student.name() << " " << student.score() << std::endl; };
std::for_each(students.begin(), students.end(), printStudentDetails);

在上述代码中，我们使用了一个打印lambda 表达式来打印每个学生的详细信息。

`map`

在C++ 中，与函数式编程中的map等价的是transform。假设你出了一道一分的题目，但数据不充分或无效，你想给每个学生加一分。那么你可以使用transform来更新每个学生的分数。

auto addOne = [](Student student) { student.incrementScore(); return student; };
std::transform(students.begin(), students.end(), students.begin(), addOne);

你需要提供输入集合的起始和结束指针、输出集合的起始指针以及操作。你甚至可以同时对两个集合执行transform操作。你可以自行研究一下，这超出了本博客的范围。

`filter`

在C++ 中，函数式编程的filter根据用例有多种等价实现。如果你只是想获取具有特定属性的元素的副本，可以使用copy_if。此外，还有其他函数，如remove_if、find_if等。而且每个这样的函数都有对应的“非”操作版本，如copy_if_not、find_if_not等。

auto aboveEighty = [](Student student) { return student.score() > 80; };
vector<Student> topStudents = {};
auto it = std::copy_if(students.begin(), students.end(), back_inserter(topStudents), aboveEighty);
std::for_each(topStudents.begin(), topStudents.end(), printStudentDetails);

copy_if的语法是：copy_if(Iterator inputBegin, Iterator inputEnd, Iterator outputBegin, predicate)。你需要提供输入集合的起始和结束指针、输出集合的起始指针以及操作。我使用了back_inserter_iterator而不是outputBegin，这样我就可以将元素插入到topStudents向量中，而无需初始化该向量。

`Reduce` 或 `Fold`

在C++ 中，与函数式编程的reduce等价的是accumulate。假设你有一个包含数字的向量，并且想将它们全部相加。

vector<int> numbers{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
std::cout << std::accumulate(numbers.begin(), numbers.end(), 0,
        [](int first, int second) { return  first + second; });

你需要提供输入集合的起始和结束指针、累加器的初始值以及一个二元lambda 表达式。累加器也可以应用于我们自定义的students向量。下面的代码计算班级的平均分数。

auto binaryOp = [](int score, Student student) { return score + student.score(); };
std::cout << std::accumulate(students.begin(), students.end(), 0, binaryOp)/students.size();

纯函数

如果一个函数满足以下条件，它就是一个纯函数：

• 函数的执行没有副作用。
• 函数的返回值仅取决于传递给函数的输入参数。

int sum(int a, int b){
   return a+b;
}

上面创建的函数是一个纯函数。C++ 中的许多内置函数都是纯函数，如min、max、strlen等。你可以编写接受所有const参数且不改变实例变量的函数。在GCC 中，你甚至可以使用“pure”属性将函数标记为纯函数，这有助于更好地优化。如果编译器知道一个函数是纯函数，那么可以对其应用循环优化和子表达式消除。但默认情况下，C++ 也允许副作用和可变性。

public class NonPureFunctionAndMutatingParametersExample{
    private int total= 0;

    public int add(int nextValue) {
        this.total+= nextValue;
        return this.total;
    }
    public void incrementScore(Student &student){
         student.score += 1;
    }
}

在上述代码中：

• add方法改变了状态。
• incrementScore方法改变了函数参数。

除非必要，我们应该避免这样做。是的，在某些情况下，副作用和可变性是有益的。

不可变变量这条规则是一个值得遵循的良好实践。一旦你创建了一个变量并设置了它的值，你就可以完全放心，该变量的值永远不会改变，但有时这并不适用。如果你正在构建一个要在终端用户的低配置机器上运行的应用程序，那么你将面临有限的内存和时间。在这种情况下，建议接受参数的引用/指针，对它们进行修改以节省内存和复制时间。