函数式编程架构答案

【问题标题】：Functional Programming Architecture函数式编程架构
【发布时间】：2010-09-10 11:49:49
【问题描述】：

我熟悉面向对象的体系结构，包括使用设计模式和类图进行可视化，并且我知道面向服务的体系结构及其契约和协议绑定，但是 软件有什么特点吗用函数式编程语言编写的系统架构？

我知道 FP 已用于大中型项目。保罗格雷厄姆写了雅虎的第一个化身！存储在 Common Lisp 中。一些 lisp 开发系统很复杂。用函数式语言编写的人工智能和金融系统可以变得相当大。它们至少都有某种固有的架构，不过，我想知道它们是否有任何共同点？

基于表达式评估的架构是什么样的？ FP 架构是否更易于组合？

更新：Kyle 提醒我 SICP 是这个主题的好资源。

更新 2： 我发现了一篇关于这个主题的好帖子：How does functional programming affect the structure of your code?

【问题讨论】：

标签： architecture functional-programming

【解决方案1】：

我目前正在编写“函数式编程中的设计和架构”一书。它描述了纯 FP 世界中存在的许多设计模式和方法（主要语言是 Haskell），但不仅限于此。本书教你如何从零开始构建具有纯状态和非纯状态、多线程、网络、数据库、GUI 的大型应用程序，如何将其分层并获得简单性。它还展示了如何对领域和语言进行建模、如何组织和描述应用程序的架构、如何对其进行测试等等。

主题列表包括：

使用图表进行架构建模的方法；
需求分析；
嵌入式 DSL 域建模；
外部 DSL 设计和实现；
Monad 作为具有效果的子系统；
作为功能接口的免费 monad；
箭头 eDSL；
使用 Free monadic eDSL 实现控制反转；
软件事务内存；
镜头；
状态、读取器、写入器、RWS、ST monad；
不纯状态：IORef、MVar、STM；
多线程和并发域建模；
图形界面；
UML、SOLID、GRASP等主流技术和方法的适用性；
与不纯子系统的交互。

这本书基于我正在研究的 Haskell 项目，尤其是一个 SCADA 应用程序Andromeda。这本书的代码是可用的here。这本书正在开发中（将在 2017 年完成），我建议您熟悉我的文章“FP 中的设计和架构”here（Rus）。

更新

我在网上分享了我的书（前 5 章）。 See post on Reddit

【讨论】：

【解决方案2】：

希望不要太切题，但对于浏览此问题答案的任何人来说可能很有趣的是 Peter Norvig 的此演示文稿Design Patterns in Dynamic Programming。

【讨论】：

【解决方案3】：

使用函数式语言的项目“架构”的共同点是，它们往往被分成代数层，而不是传统系统架构意义上的子系统。

有关此类项目的优秀示例，请查看 XMonad、Yi 和 HappS。如果你检查它们的结构，你会发现它们由单子结构层组成，中间有一些组合胶。

另请参阅The Scala Experiment 论文，该论文概述了一种体系结构，其中系统由抽象其依赖关系的组件组成。

【讨论】：

感谢您的回答。我正在学习指称语义（（在 Haskell 中）[en.wikibooks.org/wiki/Haskell/Denotational_semantics] 和（通常）[scss.tcd.ie/Andrew.Butterfield/Teaching/CS4003/…），您的回答与我所学的内容产生了共鸣。将问题分解为数学结构（例如您所说的代数），以便将它们组合成一个更大的系统。
在 FP 中说“抽象依赖关系的组件”不是像在命令式/OOP 中说“创建更高级别的过程和数据结构”吗？我的具体问题是——你如何描述这些高阶抽象？ OOP 有 UML，其中类图起主要作用。 FP有什么？
FP 具有用于描述这些组件的集成文档（例如 Rust）。不需要 UML 或其他东西。你可以创建一个封闭代码的文档，如果你认真地去做，我认为它会比任何 UML 图更具可读性。

【解决方案4】：

我认为这可能会有所帮助；

一些模式消失了——那是，它们直接由语言特征，一些模式是更简单或有不同的重点，并且有些基本没有变化。

[AIM-2002-005] Gregory T. Sullivan，Advanced Programming Language Features for Executable Design Patterns "Better Patterns Through Reflection

2002 年 3 月 22 日

设计模式书 [GOF95] 呈现 24 种经过时间考验的模式始终如一地出现在精心设计的软件系统。每个图案都是介绍了模式解决的设计问题，以及示例实现代码和设计考虑。这张纸探索模式如何从 “四人帮”或“GOF”书，因为它常被称为，相似时出现使用一个解决问题动态的、高阶的、面向对象的编程语言。某些模式消失了——也就是说，它们由语言直接支持功能，一些模式更简单或有不同的重点，有些是基本不变。

【讨论】：

我对函数式架构的期望是一样多的，尤其是基于具有某种宏或元编程工具的语言的架构，它完全没有任何所谓的设计模式（即，样板结构）。

【解决方案5】：

我打印出来并查看了Design Patterns in Ocaml，他们使用模块和函子（和对象）来重新创建我们习惯的正常设计模式。这很有趣，但我认为他们使用对象太多来真正看到函数式语言的好处。 FP 是非常可组合的，这是它的本质的一部分。我想我的简短回答是使用 modules 和 functors。

我当前的项目非常大，我们通过文件分隔每个模块——ocaml 中的隐式。我也一直在寻找一个综合资源，它可能对项目产生的真正成功的设计有一些不同的观点或想法。

【讨论】：

【解决方案6】：

我曾参与过一些相当大的功能性项目。他们通常分为两个阵营（至少，我用过的）：

极高的可扩展性/可靠性/并发性。事务模型可以非常紧密地构建到语言中。并发 ML 就是一个很好的例子，使用它的项目在并发正确性方面很难出错。
解析/修改框架。这些框架所基于的许多设计模式都非常容易用函数式语言来制定/构建/修改。访问者模式就是一个很好的例子。

【讨论】：

是的，我想功能设计对于并发执行会更加健壮。解析器组合器框架，如 Haskell 中的，是一个很好的例子，可以让您从函数范式中获得更容易的可组合性。

【解决方案7】：

函数式语言的最大共同点是使用函数来存储数据。这有点像在没有对象的对象上使用访问器函数。相反，该函数是在可以访问所需数据的环境中创建的。现在这个函数可以在任何地方传递和使用，并且仍然保留使用数据的能力。

这是一个非常简单的例子。这不是纯粹的功能，因为它确实改变了状态，但它很常见：

(define (make-counter)
  (let ((count 0))
    (lambda ()
      (set! count (+ count 1))
      count)))

(define x (make-counter))

(x) returns 1

(x) returns 2

...etc...

所以我们有一个函数，make-counter，它返回另一个函数，里面有计数器的状态。我们可以调用那个新创建的计数器，观察里面的变化。

这就是函数式程序的结构。你有将函数作为参数的函数，你有返回隐藏状态函数的函数，等等。这一切都比你自己管理内存要干净得多。

【讨论】：

我熟悉使用闭包来维护状态，但我对函数式语言的共同点并不那么感兴趣，我对架构良好的大型函数式程序的共同点并不感兴趣。
抱歉，我想低估了您对该领域的熟悉程度。许多函数式编程的新手尝试做的一件事是继续使用变量来封装状态，所以我试图提供一种更面向函数的方式来做到这一点。
我更喜欢 Haskell 的 replace-the-immutable-World 方法来改变状态：)