在JavaScript中用匿名函数写出递归的方法

时间：2022-07-19 19:16:38

在JavaScript中用匿名函数(箭头函数)写出递归的方法

前言

今天看 Mozilla 出品的 ES6 In Depth ,看到 Arrow functions(中文翻译)，其中一段让人讶异。

Using arrows to pierce the dark heart of computer science

「使用箭头来刺穿计算机的黑暗心脏」

里面提到λ (lambda)表达式、阿隆佐·邱奇（Alonzo Church）、阿兰·图灵（Alan Turing），这些耳熟能详的名词原来与我们写 JavaScript 的人这么近，这激发了我极大的探索兴趣。

最后搜索到刘未鹏2006年的一篇文章《康托尔、哥德尔、图灵——永恒的金色对角线(rev#2)》，奇妙的从 ES2015 延伸到了计算机的起源以及现代数学史的开端。

我看到了它，却不敢相信它。——康托尔

计算机是数学家一次失败思考的产物。——无名氏

原来我们轻易写下的每一个匿名函数，里面都蕴涵简单而又玄妙的数学原理。

原来用匿名函数实现的递归，动用了如此深刻的数学法则。

希望每个前端工程师都能认真阅读刘未鹏的文章，理解 Y Combinator 的 JavaScript 实现，对这门正在越变越好的语言抱以更多的敬畏之情，写起 ES2015 来或许有更好的编程体验。

注：本文部分代码将用 ES2015 编写，要跑起来可能得先用Babel编译为 ES5。

正文

我们用递归的方式实现阶乘函数，并且从朴素思路出发，最后一步步抵达Y Combinator。

首先，用最简单的命名函数递归方式，如下：

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function factorial ( n ) {
     return n < 2 ? 1 : n * factorial ( n - 1 )
}
 
factorial ( 3 ) // => 6

第二种方式，用变量缓存匿名函数的值：

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let fact = n = > n < 2 ? 1 : n * fact ( n - 1 )
 
fact ( 4 ) // => 24

看，我们用匿名函数实现了递归，全剧终......

不，那只是 JS 引擎给我们的语法糖。实际上，所谓的「用 lambda 表达式写出递归」，不能在 lambda 定义完成之前直接引用自身。我们做如下假设：

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let fact = n = > n < 2 ? 1 : n * fact ( n - 1 ) //抛出错误： lambda 表达式引用错误

在这个基础上，继续探索我们的话题。

如果 lambda 表达式不能直接在函数体内显示引用自身，那么我们就得隐式地调用自身；因为我们不是用循环来模拟递归，我们就是要让 lambda 表达式反复执行一段相同代码。

其中一个策略是，将 lambda 表达式作为参数之一传入其自身。（函数也是值）

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//并不直接引用自身，引用 self 函数，调用时将自己传入即可
let fact = ( self , n ) = > n < 2 ? 1 : n * self ( self , n - 1 )
 
//调用时，将自身作为第一个参数传入
fact ( fact , 5 ) // => 120

OK,我们现在的确实现了具有递归效果的 lambda 表达式，但是，太难看了。没有人希望自己的阶乘函数有多余的参数，我们的目标是，fact(n)。

为了达到参数纯净化目的，我们可以包裹一层工厂函数，封装肮脏的冗余传参行为。

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//并不直接引用自身，引用 self 函数，调用时将自己传入即可
let fact = ( self , n ) = > n < 2 ? 1 : n * self ( self , n - 1 )
 
//柯里化工厂函数，砍掉第一个参数
let factory = f = > n = > f ( f , n )
 
//改造 fact
fact = factory ( fact )
 
//参数纯净化
fact ( 6 ) // => 720

虽然现在我们达到了在调用时参数纯净化的目标，但仍有些不美。定义 fact 时，我们还在 self(self, n - 1)， 方式不够直观，我们期望能用下面的方式代替。

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//定义时就工厂化，生产出阶乘函数
let factory = self = > n = > n < 2 ? 1 : n * self ( n - 1 )

在函数被定义之后，我们才拿到其引用；也就是说，不可能在生产/创建一个函数时，把它自己传参进去。也就是说，对于上面的工厂函数 factory 而言，self === factory(self)永远不可能为真。不过，没关系。我们有软件工程里的黄金定律：

任何问题都可以通过增加一个间接层来解决。

既然无法让一个阶乘函数反复调用自身，那就让 factory 在需要时反复生产出虽然不是同一个，但效果等价的、新的阶乘函数。我们设想有以下特征的 Y 函数：

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//定义时就工厂化，生产出阶乘函数
let factory = self = > n = > n < 2 ? 1 : n * self ( n - 1 )
 
//暂时不管 Y 函数的内部实现，假定它能够返回正确的阶乘函数。
let fact = Y ( factory )
 
fact ( 6 ) // => 720

在知道Y函数的功能与行为后，我们再根据已知条件，把它构造出来。

首先，Y 函数一定返回阶乘函数，那么它的可能形式如下，

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let Y = factory = > {
     //Y 返回一个函数，其参数为 n，返回值为 n 的阶乘
     return n = > { //求阶乘 }
}

其次，Y 一定调用了 factory 函数两次以上

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let Y = factory = > {
     let magic // 魔术函数，可以从 factory 中取出阶乘函数
     return n = > factory ( magic ( factory ) ) ( n )
}

magic 函数从 factory 取出新的阶乘函数，作为参数又传入 factory，这样创建出来的阶乘函数，里面的 self 就是另一个阶乘函数。

到这里，我们只需要探究 magic 应该是什么代码形式。

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let Y = factory = > {
     //从 magic 的调用方式来看，它接受 factory 作为参数，返回一个新的阶乘函数
     let magic = factory = > n = > factory ( magic ( factory ) ) ( n )
     return n = > factory ( magic ( factory ) ) ( n )
}

可惜，上面复用 magic 函数，也只是语法糖，我们不能在 magic 定义完成前显式引用它。

诶？

那么就再增加中间层，隐式引用呗。说做就做。

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let Y = factory = > {
     //就像之前做过的那样，把自己作为参数传入自己
     let magic = ( self , factory ) = > n = > factory ( self ( self , factory ) ) ( n )
     return n = > factory ( magic ( magic , factory ) ) ( n )
}
 
//定义时就工厂化，生产出阶乘函数
let factory = self = > n = > n < 2 ? 1 : n * self ( n - 1 )
 
//测试我们构造出来的 Y 函数
let fact = Y ( factory )
 
fact ( 7 ) // => 5040

惊！！，我们竟然成功了。虽然我们不知道 magic 魔术函数为什么是那样，但是，我们把它构造了出来。

同时，我们注意到，magic 的 factory 参数，好像没有存在的必要了，因为作用域内只存在唯一一个factory。

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let Y = factory = > {
     //砍掉多余的 factory 参数
     let magic = self = > n = > factory ( self ( self ) ) ( n )
     return n = > factory ( magic ( magic ) ) ( n )
}
 
//定义时就工厂化，生产出阶乘函数
let factory = self = > n = > n < 2 ? 1 : n * self ( n - 1 )
 
//测试我们构造出来的 Y 函数
let fact = Y ( factory )
 
 
console . log ( fact ( 8 ) ) // => 40320

神奇。magic 魔术函数果然很魔术，在外部 magic(magic) 自己调用自己， 在内部self(self)，就实现了递归？

同时，我们又注意到一点，n => factory(magic(magic))(n)的形式跟n => factory(self(self))(n) 似乎一模一样，仅仅是 magic 跟 self 名字不同。

嗯？前者不就是把 magic 自身作为参数传递进自身的返回函数吗？

magic(magic) 是把自己传参进去，那么self === magic。

原来 self(self) 自调用的函数，就是magic自身。

于是，我们得到：

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let Y = factory = > {
     //砍掉多余的 factory 参数
     let magic = self = > n = > factory ( self ( self ) ) ( n )
     //返回阶乘函数
     return magic ( magic )
}
 
//定义时就工厂化，生产出阶乘函数
let factory = self = > n = > n < 2 ? 1 : n * self ( n - 1 )
 
//测试我们构造出来的 Y 函数
let fact = Y ( factory )
 
console . log ( fact ( 9 ) ) // => 362880

看到最终的产物，让人惊呆了。这是什么黑魔法？

仔细一看，原来它就是 lambda 演算的 JavaScript 实现

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// λ演算的写法
fix = λ f . (λ x . f (λ v . x ( x ) ( v ) ) ) (λ x . f (λ v . x ( x ) ( v ) ) )
 
// ES6的写法
const fix = f = > ( x = > f ( v = > x ( x ) ( v ) ) )
               ( x = > f ( v = > x ( x ) ( v ) ) ) ;

它不仅适用于阶乘函数的递归处理，任意递归工厂函数经过Y函数后，都能得到真正的递归函数。

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let count = Y ( self = > x = > {
     console . log ( x ++ ) ;
     x < 100 && self ( x )
} )
 
count ( 0 ) // 输出0 ~ 99

尾声

在这篇文章中，我们有意识地用到的特性只有一个：

函数也是值，可以作为参数传递

我们利用它，让一个函数自己调用自己，然后不断美化美化、简化简化，竟然就构造出了Y Combinator。

然而：

  • 从函数也是值，可传参中，反推出Y Combinator，不代表你有多厉害
  • 只是站在巨人的肩膀上
  • 背下函数也是值，可传参的定律，却不知道背后的原理就是λ演算
  • 就像还没学到微积分的高中生自己开创了微积分初步
  • 自比牛顿太幼稚，微积分原理与应用衍化成耳熟能详的说辞围绕着你
  • 没有这些弱启发，买菜还在数指头
  • 数学多美妙
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