浅谈编程范式

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mob60475702efd6 2021-04-26 00:25:00

| 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:

浅谈编程范式_函数式

图1: 范式的简单分类

范式和语言的关系

浅谈编程范式_面向过程_02

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

浅谈编程范式_函数式编程_03

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

浅谈编程范式_面向过程_04

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：