浅谈编程范式

我会带着你远行 2022-03-12 20:16 180阅读 0赞

### **| 前言** ###

相信绝大部分开发人员、DBA都听过范式这个词，在MySQL中有第一范式、第二范式、第三范式、BCNF范式等，在开发中也有相应的范式，专业词汇叫编程范式(ProgrammingParadigm)。由于笔者能力、精力都有限，本篇主要通过针对同一业务场景，基于编程范式的概念，核心原理以及用例实现来对比不同范式及其实现业务功能的差异。

**范式分类**

如图1所示，范式可以简单分为三类:

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dvcXV0ZWNodGVhbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

图1: 范式的简单分类

**范式和语言的关系**

**![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dvcXV0ZWNodGVhbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]**

图2: 范式和语言的关系

与成百种编程语言相比，编程范式要少得多，如图2所示，共有27种范式。多数范式之间仅相差一个或几个概念，比如图中的函数编程范式，在加入了状态（state）之后就变成了面向对象编程范式。

### **| 编程范式** ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dvcXV0ZWNodGVhbQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

图3: 华山派剑气之争

过程式编程的核心在于模块化，在实现过程中使用了状态，依赖了外部变量，导致很容易影响附近的代码，可读性较少，后期的维护成本也较高。

函数式编程的核心在于“避免副作用”，不改变也不依赖当前函数外的数据。结合不可变数据、函数是第一等公民等特性，使函数带有自描述性，可读性较高。

面向对象编程的核心在于抽象，提供清晰的对象边界。结合封装、集成、多态特性，降低了代码的耦合度，提升了系统的可维护性。

不同的范式的出现，目的就是为了应对不同的场景，但最终的目标都是提高生产力。就如华山派的剑宗、气宗之别，剑宗认为“剑为主，气为辅”，而气宗则反之。每个范式都会有自己的”心法”，但最终殊途同归，达到至高境界后则是剑气双修。

### **| 小结** ###

阅读完之前内容后，相信各位读者对编程范式有了初步的理解，那么接下来就和笔者一起来实现业务的真实需求。

### **| 需求** ###

*   1.解析并收集shannon, fio 两种 flash卡的温度、寿命等信息。
 *   2.对实现代码进行单元测试

在用过程式实现之前，笔者先给大家介绍下什么叫过程式编程。

### **| 过程式编程(Procedural)** ###

过程式编程和面向对象编程的区别并不在于是否使用函数或者类，也就是说用到类或对象的可能是过程式编程，只用函数而没有类的也可能是面向对象编程。那么他们的区别又在哪儿呢？

面向过程其实是最为实际的一种思考方式，可以说面向过程是一种基础的方法，它考虑的是实际地实现。一般的面向过程是从上往下步步求精，所以面向过程最重要的是模块化的思想方法。当程序规模不是很大时，面向过程的方法还会体现出一种优势。因为程序的流程很清楚，按着模块与函数的方法可以很好的组织。

**关键部分实现代码**

def get_shannon_info(output):
        """获取shannon类型flash卡信息
        """
    
        def check_health():
            time_left = float(sub_info["life_left"])
            if time_left < DISK_ALARM_LIFETIME:
                message = "time left is less than {}%".format(DISK_ALARM_LIFETIME)
                return message
            temperature = float(sub_info["temperature"].split()[0])
            if temperature > DISK_ALARM_TEMPERATURE:
                message = "temperature is over than {} C".format(DISK_ALARM_TEMPERATURE)
                return message
            return "healthy"
    
        result = {}
        all_info = _get_shannon_info(output)
        for info in all_info:
            sub_info = {}
            sub_info["available_capacity"] = info.get("disk_capacity", "")
            sub_info["device_name"] = info.get("block_device_node", "")
            sub_info["firmware_version"] = info.get("firmware_version", "")
            sub_info["interface"] = "PCIe"
            sub_info["life_left"] = str(info.get("estimated_life_left", "").replace("%", ""))
            sub_info["pcie_id"] = info.get("pci_deviceid", "")
            sub_info["pcie_length"] = ""
            sub_info["pcie_type"] = ""
            sub_info["physical_read"] = info.get("host_read_data", "")
            sub_info["physical_write"] = info.get("total_write_data", "")
            sub_info["serial_number"] = info.get("serial_number")
            sub_info["temperature"] = info.get("controller_temperature")
            sub_info["type"] = info["type"]
            sub_info["error_msg"] = check_health()
            sub_info["status"] = "ok" if sub_info["error_msg"] == "healthy" else "error"
            if sub_info["serial_number"]:
                result[sub_info["serial_number"]] = sub_info
            else:
                result[sub_info["device_name"]] = sub_info
        return result

**代码问题**

*  1.逻辑冗长，局部修改必须阅读整段代码
 *  2.对外部变量有依赖
 *  3.内部存在共享变量
 *  4.函数内部存在临时变量

**测试代码**

过程式的测试代码效果远不如函数式有效，过程式的实现逻辑过于冗长，导致测试效果并不够好。

### **| 函数式编程(Functional)** ###

当谈论函数式编程，会提到非常多的“函数式”特性。提到不可变数据，第一类对象以及尾调用优化，这些是帮助函数式编程的语言特征。提到mapping（映射），reducing（归纳），piplining（管道），recursing（递归），currying（科里化），以及高阶函数的使用，这些是用来写函数式代码的编程技术。提到并行，惰性计算以及确定性，这些是有利于函数式编程的属性。

最主要的原则是避免副作用，它不会依赖也不会改变当前函数以外的数据。

声明式的函数，让开发者只需要表达 “想要做什么”，而不需要表达 “怎么去做”，这样就极大地简化了开发者的工作。至于具体 “怎么去做”，让专门的任务协调框架去实现，这个框架可以灵活地分配工作给不同的核、不同的计算机，而开发者不必关心框架背后发生了什么。

**关键部分实现代码**

def get_shannon_info(output):
        """查询shannon类型flash卡信息
        """
        lines = checks_string_split_by_function(output, is_shannon_flash_device)
        info = map(parser_shannon_info, lines)
    
        # map(lambda x: x.setdefault("type", "shannon"), info)
        for item in info:
            item["type"] = "shannon"
    
        data = map(modify_the_properties, info)
        return reduce(combining_data, map(convert_data_format, data))

以上代码带有自描述性，通过函数名就可知在做什么，这也是函数式的一个特性: **代码是在描述要干什么，而不是怎么干。**

**测试代码**

@pytest.mark.parametrize("line, result", [
    ("Found Shannon PCIE", False),
    ("Found Shannon PCIE Flash car", False),
    ("Found Shannon PCIE Flash card a", True),
    ("Found Shannon PCIE Flash card", True),
    ("Found Shannon PCIE Flash card.", True),
    ])
    def test_is_shannon_flash_device(line, result):
        assert functional.is_shannon_flash_device(line) == result
    
    
    @pytest.mark.parametrize("line, result", [
    ("a=1", True),
    ("b=2", True),
    ("c=2333", True),
    ("d x=abcde", True),
    ("Found Shannon PCIE=1", True),
    ("abcdedfew=", False),
    ("Found Shannon PCIE", False),
    (" =Found Shannon PCIE", False),
    ("=Found Shannon PCIE", False),
    ("Found Shannon PCIE=", False),
    ("Found Shannon PCIE= ", False),
    ])
    def test_is_effective_value(line, result):
        assert functional.is_effective_value(line) == result
    
    
    @pytest.mark.parametrize("line, result", [
    ("a=1", {"a": "1"}),
    ("b=2", {"b": "2"}),
    ("a=a", {"a": "a"}),
    ("abc=a", {"abc": "a"}),
    ("abc=abcde", {"abc": "abcde"}),
    ])
    def test_gets_the_index_name_and_value(line, result):
        assert functional.gets_the_index_name_and_value(line) == result
    
    
    @pytest.mark.parametrize("output, filter_func, result", [
    ("abcd\nbcd\nabcd\nbcd\naa\naa", lambda x: "a" in x, ["abcd\nbcd", "abcd\nbcd", "aa", "aa"]),
    (open(os.path.join(project_path, "fixtures", "shannon-status.txt")).read(), functional.is_shannon_flash_device, [
        open(os.path.join(project_path, "fixtures", "shannon-sctb.txt")).read(),
        open(os.path.join(project_path, "fixtures", "shannon-scta.txt")).read()
    ])
    ])
    def test_checks_string_split_by_function(output, filter_func, result):
        assert functional.checks_string_split_by_function(output, filter_func) == result

### **| 面向对象编程(Object-Oriented)** ###

并不是使用类才是面向对象编程。如果你专注于状态改变和密封抽象，你就是在用面向对象编程。类只是帮助简化面向对象编程的工具，并不是面向对象编程的要求或指示器。封装是一个过程，它分隔构成抽象的结构和行为的元素。封装的作用是分离抽象的概念接口及其实现。类只是帮助简化面向对象编程的工具，并不是面向对象编程的要求或指示器。

随着系统越来越复杂，系统就会变得越来越容易崩溃，分而治之，解决复杂性的技巧。面对对象思想的产生是为了让你能更方便的理解代码。有了那些封装，多态，继承，能让你专注于部分功能，而不需要了解全局。

**关键部分实现代码**

class IFlash(six.with_metaclass(abc.ABCMeta)):
        def __init__(self):
            pass
    
        @abc.abstractmethod
        def collect(self):
            """收集flash卡物理信息
            """
            pass
    
    
    class FlashShannon(IFlash):
        """宝存的Flash卡
        """
    
        def __init__(self, txt_path, command, printer):
            super(FlashShannon, self).__init__()
            self.txt_path = txt_path
    
            self.command = command
            self.printer = printer
    
        def collect(self):
            result = {}
            for info in self._get_shannon_info():
                life_left = str(info.get("estimated_life_left", "")).replace("%", "")
                temperature = info.get("controller_temperature", "")
                error_msg = self._get_health_message(life_left, temperature)
                sub_info = {
                    "available_capacity": info.get("disk_capacity", ""),
                    "device_name": info.get("block_device_node", ""),
                    "firmware_version": info.get("firmware_version", ""),
                    "interface": "PCIe",
                    "life_left": life_left,
                    "pcie_id": info.get("pci_deviceid", ""),
                    "pcie_length": "",
                    "pcie_type": "",
                    "physical_read": info.get("host_read_data", ""),
                    "physical_write": info.get("total_write_data", ""),
                    "serial_number": info.get("serial_number", ""),
                    "temperature": temperature,
                    "type": info["type"],
                    "error_msg": error_msg,
                    "status": "ok" if error_msg == "healthy" else "error"
                }
                if sub_info["serial_number"]:
                    result[sub_info["serial_number"]] = sub_info
                else:
                    result[sub_info["device_name"]] = sub_info
            return result
    
    
    class FlashFio(IFlash):
        """fio的Flash卡
        """
    
        def __init__(self, txt_path):
            super(FlashFio, self).__init__()
            self.txt_path = txt_path
    
        def collect(self):
            disk_info = {}
            adapter_info = self._get_adapter_info()
            for info in adapter_info:
                serial_number = info["fio_serial_number"]
                for io in info["iomemory"]:
                    data = self._combining_io_memory(io)
                    data["serial_number"] = serial_number
                    disk_info[serial_number] = data
            return disk_info

### **| 编程范式带来的好处** ###

范式就像武功心法，可以更快的练成绝世神功，但还是离不开基础功。代码也一样，通过遵循相关范式和良好的设计后，会带来可读性、扩展性和可维护性更好的代码，进而提升软件的质量。

### **| 总结** ###

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命令式编程、面向对象编程、函数式编程，虽然受人追捧的时间点各不相同，但是本质上并没有优劣之分。 面向对象和函数式、过程式编程也不是完成独立和有严格的界限，在抽象出各个独立的对象后，每个对象的具体行为实现还是有函数式和过程式完成。

现代的程序员应该很少有门派之见了，应该集百家之所长，学习其它范式(语言)的优秀设计理念，集成到自己的代码(产品、语言)中，提升工作效率。

### **| 致谢** ###

*  简述编程范式：https://ginqi7.github.io/posts/brief-description-of-programming-paradigm.html
 *  编程范型：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BC%96%E7%A8%8B%E8%8C%83%E5%9E%8B
 *  学习编程之概述—从编程范式开始：http://dataunion.org/23223.html
 *  面向对象编程 VS 函数式编程：http://blog.swanspace.org/oo\_vs\_fp/

### **| 作者简介** ###

**黄剑冬·沃趣科技高级开发工程师**

人生苦短，我用Python。Python开发爱好者，毕业后一直从事Python相关开发工作，对Python生态有一定理解。主要负责QData相关产品的研发工作。

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