15.1.4 可组合函数和对象

15.1.4 可组合函数和对象

创建可组合库的第二个选项，是构建一些函数或对象，表示声明性的规范，并可以执行。这限制了用组合对象所能做的操作，因为，操作是每个基元的一个固有部分。事实上，许多时候，只需要执行单个操作，比如，绘制动画帧，或计算金融合同的交易。我们可以轻松地增加新的基元，为可组合的基元实现新的方法。在函数式编程语言中，以这种方式写出的库，被称为连接符库（combinator libraries）。

在 F# 中使用连接符库

当开发连接符库时，需要创建几个基元，把它们实现为函数或简单的对象值。为了构建更复杂的规范，需要添加连接符：用于组合基元值的函数或运算符。这种做法很灵活，因为，可以通过组合由库所提供的核心基元，创建新的基元。还可以创建更复杂的函数，用几个连接符，把基元组合到一起。

我们将使用这种编程风格来创建 F# 版本的动画库。有必要看一下这个示例的最终结果，这样，可以知道我们的目标是什么。下面的代码断显示了一个动画，有一个太阳和两个旋转的行星：

let planets =
sun -- (rotate 150.0f 1.0f earth)
-- (rotate 200.0f 0.7f mars)

动画由三个基元，用一个连接符 -- 组成。我们将使用三个太阳系对象，这些并不是动画库的核心部分，它们是用其他可用的基元来定义的。示例还使用了 rotate 基元，指定对象如何旋转。这看起来像基本的基元，但是同样，它也是从描述对象运动的一个基元派生而来。图 15.1 显示了这个动画运行的结果。

图 15.1 模拟火星和地球围绕太阳旋转

解析器连接符（Parser combinators）

连接符库在函数式编程社区很流行，已用于许多任务。最著名的例子可能是 Parsec 库，用于创建解析器 [[Leijen, Meijer, 2001]。在这种情况下，我们会建构建一些函数，取字符列表作为参数值，返回解析过的值，例如，可以是以树状层次结构加载的 XML 文档。我们开始的基元非常简单，比如，解析器，如果匹配由用户指定的断言（predicate），就返回一个字符（例如，当字符是 + 时，返回 true 的函数)，所有其他情况就失败。连接符可以并行地运行两个解析器，返回由一个解析器返回的成功值，或者依次运行。

下面的示例显示了如何写一个简单的解析器，可以解析简单的数值表达式，比如，数字和变量的加法 （5+10 和 x-12）。我们将使用基元 parse，从一个断言创建，另一个基元 repeated，依次应用这个解析器一次或多次。接下来，我们使用两个组合了解析器的自定义运算符。<|> 运算符构建一个解析器，当两个解析器的任何一个成功，它就成功，而 <+> 运算符，依次组合解析器：

let argument = parse Char.IsLetter <|> repeated (parse Char.IsDigit)
let operator = parse ((=) '+') <|> parse ((=) '-')
let simpleExpression = argument <+> operator <+> argument

我们首先定义一个解析器 argument，当输入包含一个字母时，表示变量名，它就成功，或者，当包含一个或多个数字，表示数值（它可以解析字符串，如"x"或"123"，但不能是"1x3"）。下一步，我们构建名为 operator 解析器，当输入包含加号或减号时，就成功。注意，我们将使用偏函数应用，来构建断言，当输入是指定字符时，返回 true。最后，我们使用 <+> 运算符，依次组合两个解析器，构建一个解析器，来解析整个表达式。

我们也可以在 C# 中实现类似连接符库的东西，不使用函数调用和自定义运算符，我们将使用面向对象的语言，比如 C#，所具有的最基本表达式：方法调用（method call）。

在 C# 中使用方法链（METHOD CHAINS）

在本书的很多地方，我们都讨论过不可变对象，因此，你应该了解其基本的公理：不可变对象的所有操作，返回的是这个对象的一个新实例，有修改过的值。这更改了我们处理类型的方式，也改变了可以使用的语法。当每个方法调用返回一个新对象时，我们可以通过创建方法链，顺序操作。我们将 LINQ 查询作为示例来演示。正如你已经知道的，所有的 LINQ 运算符返回一个新的序列，原来的保持不变，所以，我们能够优雅地把操作链起来，像这样：

var q = data.Where(c => c.Country == "London")
.OrderBy(c => c.Name)
.Select(c => c.Name);

使用可组合的函数式库写的代码，通常写为单个表达式。在 F# 中，表达式可以分解成使用 let 绑定的片段，但这只是一种使表达式更具可读性的方法。在面向对象语言中，使用方法链写的代码并无不同。我们将写一个表达式，看上去像想要得到结果的声明性规范。

现在，让我们回到动画示例中。我们可以很容易想象，表示太阳系对象（太阳、地球和火星）的值是一些不可变的对象。那么，我们就可以写太阳系的相同的声明性规范，像这样：

var planets =
sun.Compose(earth.Rotate(150.0f, 1.0f))
.Compose(mars.Rotate(200.0f, 0.7f));

所有的太阳系对象都可以被称为 AnimShape，的相同类型的值。（这并不是我们在这一章的后面所实现的表示，但是，可以用它来描述代码段。）Rotate 方法可以在任何 AnimShape 值上调用。它取用于旋转的参数作为参数值，并创建一个新的动画形状，有额外的旋转。

这段代码是非常的具有可组合性，因为 AnimShape 的所有操作都返回新的 AnimShape 值，作为结果。第一个对 Compose 方法的调用，创建了一个新的形状，包括太阳和旋转的地球。第二个调用在组合的形状一，加上旋转的火星，所以，我们会得到一个 AnimShape 的值，表示三个太阳系对象，每一个有不同的运动。这些运行也是可组合的。如果我们把 MoveFromTo 调用（表示两个指定点之间移动），链到 Rotate 方法的调用上，该对象将是旋转的，并且旋转的中心将在指定的点之间移动。

方法链的好处是，我们能够以声明的方式写代码。在函数式编程中，这不需要额外的努力，因为，我们能方便地得到语法，是由于不可变性。类似的构造也可以用于可变对象。

可变对象的方法链

在命令式编程语言中，提供相同的语法有点困难。如果我们写代码来构建一个太阳系的动画，使用可变对象时，配置对象的方法会返回 void，我们不能使用方法链。创建和配置对象的典型的命令式代码，如下所示：

var planets = new AnimShape();
earth.SetRotation(150.0f, 1.0f);
mars.SetRotation(200.0f, 0.7f);
planets.Children.AddRange(new AnimShape[] { sun, earth, mars });

一旦你习惯了使用声明性的可组合方式，就会发现，这段代码比前面的代码段的可读性要低。可以使用各种技术来获取相同的语法，即使是处理可变对象。在面向对象的环境中，编程风格也被称为流畅的接口（fluent interface），它有许多支持者，因为增强的可读性。

当使用这方式，创建包装类型，配置在后台创建的可变对象。Martin Fowler 称这种构造为表达式生成器（Expression Builder），描述它如何做 [[Fowler, 2008]。这是在 C# 中使用函数式编程风格的一个好处：最后，通常会创建一个可读的流利接口，虽然你不是故意做的。使用像这样的 API 时要小心。使用流利接口的类可能看起来像是不可变的，虽然它不是！

刚才我们看到的示例展示了，可组合性是一个强大的原理，因此，你可能会急于知道，，我们如何可以实现这样的库。在接下来的几节中，我们会实现 F# 和 C# 的库，来描述动画，我们还将看到，连接符和方法链是如何工作的。