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Python函数式编程(map()、filter()和reduce())详解

所谓函数式编程,是指代码中每一块都是不可变的,都由纯函数的形式组成。这里的纯函数,是指函数本身相互独立、互不影响,对于相同的输入,总会有相同的输出。

除此之外,函数式编程还具有一个特点,即允许把函数本身作为参数传入另一个函数,还允许返回一个函数。

例如,想让列表中的元素值都变为原来的两倍,可以使用如下函数实现:
def multiply_2(list):
    for index in range(0, len(list)):
        list[index] *= 2
    return list
需要注意的是,这段代码不是一个纯函数的形式,因为列表中元素的值被改变了,如果多次调用 multiply_2() 函数,那么每次得到的结果都不一样。

而要想让 multiply_2() 成为一个纯函数的形式,就得重新创建一个新的列表并返回,也就是写成下面这种形式:
def multiply_2_pure(list):
    new_list = []
    for item in list:
        new_list.append(item * 2)
    return new_list

函数式编程的优点,主要在于其纯函数和不可变的特性使程序更加健壮,易于调试和测试;缺点主要在于限制多,难写。

注意,纯粹的函数式编程语言(比如 Scala),其编写的函数中是没有变量的,因此可以保证,只要输入是确定的,输出就是确定的;而允许使用变量的程序设计语言,由于函数内部的变量状态不确定,同样的输入,可能得到不同的输出。

Python 允许使用变量,所以它并不是一门纯函数式编程语言。Python 仅对函数式编程提供了部分支持,主要包括 map()、filter() 和 reduce() 这 3 个函数,它们通常都结合 lambda 匿名函数一起使用。接下来就对这 3 个函数的用法做逐一介绍。

Python map()函数

map() 函数的基本语法格式如下:

map(function, iterable)

其中,function 参数表示要传入一个函数,其可以是内置函数、自定义函数或者 lambda 匿名函数;iterable 表示一个或多个可迭代对象,可以是列表、字符串等。

map() 函数的功能是对可迭代对象中的每个元素,都调用指定的函数,并返回一个 map 对象。

注意,该函数返回的是一个 map 对象,不能直接输出,可以通过 for 循环或者 list() 函数来显示。

【例 1】还是对列表中的每个元素乘以 2。
listDemo = [1, 2, 3, 4, 5]
new_list = map(lambda x: x * 2, listDemo)
print(list(new_list))
运行结果为:

[2, 4, 6, 8, 10]


【例 2】map() 函数可传入多个可迭代对象作为参数。
listDemo1 = [1, 2, 3, 4, 5]
listDemo2 = [3, 4, 5, 6, 7]
new_list = map(lambda x,y: x + y, listDemo1,listDemo2)
print(list(new_list))
运行结果为:

[4, 6, 8, 10, 12]

注意,由于 map() 函数是直接由用 C 语言写的,运行时不需要通过 Python 解释器间接调用,并且内部做了诸多优化,所以相比其他方法,此方法的运行效率最高。

Python filter()函数

filter()函数的基本语法格式如下:

filter(function, iterable)

此格式中,funcition 参数表示要传入一个函数,iterable 表示一个可迭代对象。

filter() 函数的功能是对 iterable 中的每个元素,都使用 function 函数判断,并返回 True 或者 False,最后将返回 True 的元素组成一个新的可遍历的集合。

【例 3】返回一个列表中的所有偶数。
listDemo = [1, 2, 3, 4, 5]
new_list = filter(lambda x: x % 2 == 0, listDemo)
print(list(new_list))
运行结果为:

[2, 4]


【例 4】filter() 函数可以接受多个可迭代对象。
listDemo = [1, 2, 3, 4, 5]
new_list = map(lambda x,y: x-y>0,[3,5,6],[1,5,8] )
print(list(new_list))
运行结果为:

[True, False, False]

Python reduce()函数

reduce() 函数通常用来对一个集合做一些累积操作,其基本语法格式为:

reduce(function, iterable)

其中,function 规定必须是一个包含 2 个参数的函数;iterable 表示可迭代对象。

注意,由于 reduce() 函数在 Python 3.x 中已经被移除,放入了 functools 模块,因此在使用该函数之前,需先导入 functools 模块。

【例 5】计算某个列表元素的乘积。
import functools
listDemo = [1, 2, 3, 4, 5]
product = functools.reduce(lambda x, y: x * y, listDemo)
print(product)
运行结果为:

120

总结

通常来说,当对集合中的元素进行一些操作时,如果操作非常简单,比如相加、累积这种,那么应该优先考虑使用 map()、filter()、reduce() 实现。另外,在数据量非常多的情况下(比如机器学习的应用),一般更倾向于函数式编程的表示,因为效率更高。

当然,在数据量不多的情况下,使用 for 循环等方式也可以。不过,如果要对集合中的元素做一些比较复杂的操作,考虑到代码的可读性,通常会使用 for 循环。

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