范畴论启发下的函数设计模式（1）

从编码的角度看，范畴论在 JS 中的应用，本质上还是为了解决函数组合的问题。

Functor（函子）：“盒子模式构造函数组合链”

若不借助compose/pipe函数，还可以通过【构造一个能创造新盒子的盒子】来构造声明式的数据流。

js
const Box = (x) => ({
  map: (f) => Box(f(x)),
  valueOf: () => x,
});

Box 函数的关键在于map方法，它的入参为x，并将f(x)的计算结果成为下一个 Box 的入参x'。

也就是说，map 方法可以把新的计算结果传递给下一个 Box。通过反复地创造 Box、反复调用 Box 上的 map 方法，我们就可以得到一个声明式的函数调用链：

js
const computeBox = Box(10).map(add4).map(multiply3).valueOf();

这个 Box 在范畴论中有个学名叫Functor，Functor是一种能够将一个范畴映射到另一个范畴的东西。本例中的 Box 是最简单的一种Functor，也称Identity Functor。

在 JS 中，Functor 是指一个实现了 map 方法的数据结构。

Array：常见的 Functor

既然 Functor 是一种实现了 map 方法的数据结构，那 Array 自然属于 Functor。

对于一个调用了 map 方法的数组，数组这个数据结构可以被看作是一个盒子，通过调用 map 方法，我们可以将盒子盛放的源数据映射为一套新数据，并且新数据也被盛放在 Array 盒子里。

Maybe Functor：识别空数据

Maybe Functor在Identity Functor的基础上，增加了对空数据的校验。

js
const isEmpty = (x) => x === undefined || x === null;

const Maybe = (x) => ({
  map: (f) => (isEmpty(x) ? Maybe(null) : Maybe(f(x))),
  valueOf: () => x,
  inspect: () => `Maybe ${x}`,
});

可以看到，若入参为空，则 map 方法就不会再执行f函数，而是直接返回一个空的 Maybe 盒子。对于这个空的 Maybe 盒子，既然数据一直盛放着 null，那就会一直执行 Maybe(null)，而不会再执行传入的函数，最终只会返回 Maybe(null)

相比于Identity Functor，避免了因传入空数据而报错的情况。

成为 Functor 的条件

需要满足恒等性(Identity)和可组合性(Composition)

恒等性

如果传递了一个恒等函数到盒子的 map 方法里，map 方法创造出的新盒子应该和原来的盒子等价。

js
// 恒等函数：
const identity = (x) => x;

// array的map函数的恒等性考察：
const identityArr = originArr.map((x) => x);
// 此时identityArr和originArr内容相同，故array的map函数是一个Functor

这个特性保证了以下两点：

该 map 方法具备“创造一个新的盒子（Functor）”的能力
保证该 map 方法足够干净。所谓“行为框架”，就意味着 map 方法的主要作用是串联不同的行为（函数），而不是编辑这些行为。

可组合性

可组合性要求 Functor 能将嵌套的函数拆解为平行的链式调用

js
Functor.map(x => f(g(x))) = Functor.map(g).map(f)

Monad（单子）：解决“嵌套盒子”问题

除了可以通过往 map 方法里传入不同函数来拓展 Functor 的能力，也可以在保有map方法的基础上，往盒子里添加新的方法。而Monad也正是从这个思路上衍生出来的。

Functor 是一个实现了 map 方法的盒子，而 Monad 是一个实现了 flatMap 方法的 Functor（既实现了 map 也实现了 flatMap）。Monad 的诞生是为了解决“嵌套盒子”的问题。

嵌套盒子问题

嵌套盒子，在这里指的是 Functor 内部嵌套 Functor 的情况。

导致出现嵌套 Functor 有很多原因，此处仅列举两种典型情况：

线性计算场景下的嵌套 Functor：Functor 作为另一个 Functor 的计算中间态出现
非线性计算场景下的嵌套 Functor：两个 Functor 共同作为计算入参出现

此时，两个 Functor 在逻辑上应该是平行关系，甚至能支持异步，但盒子模式的调用总是链式的、线性的。因此，使用盒子模式去实现非线性的计算时，就不得不将一个数据源包装成盒子，放到另一个数据源的 map 里去

嵌套 Functor 的解法思考

创建 Functor 是把数据包装成盒子的过程；而消除嵌套，则是打开盒子的过程。

因此，我们需要为盒子本身新建一个基础行为 flatMap，该行为预期 map(f)会返回一个嵌套的盒子，并且能够主动将套在里面的那个盒子取出。也就是在 map 结束之后再自动调用 valueOf()

js
const Monad = (x) => ({
  map: (f) => Identity(f(x)),
  valueOf: () => x,
  inspect: () => `Monad {${x}}`,
  flatMap: (f) => map(f).valueOf(),
});

实际上，因为 flatMap 和 map 是平级的方法，两个方法实际上并不在同一个上下文里，所以直接这样使用会失败。

要想将一个盒子中的两个方法放入同一个上下文中，第一方法是可以创建一个 class，如下：

js
class Monad {
  constructor(x) {
    this.val = x;
  }
  valueOf() {
    return this.val;
  }
  map(f) {
    return Monad.of(f(this.val));
  }
  flatMap(f) {
    return this.map(f).valueOf();
  }
}
Monad.of = function (val) {
  return new Monad(val);
};

// 使用
const monad = Monad.of(1);
const nestedMonad = Monad.of(monad);

// 输出Monad {val: 1}
console.log(nestedMonad.flatMap((x) => x));

除此之外，实际上在该案例中根本不需要 of 来创建上下文。既然 flatMap 想要的是 f(x)，那完全可以省去先用 map 方法封装成盒子、然后再由 flatMap 解构盒子的过程，直接返回 f(x)。故也可以这样实现：

js
const Monad = (x) => ({
  map: (f) => Monad(f(x)),
  flatMap: (f) => f(x),
  valueOf: () => x,
  inspect: () => `Monad {${x}}`,
});

参考

JavaScript 函数式编程实践指南