函数式编程为何对 Jane Street 重要

我是一名 Jane Street 开发者，工作日的大部分时间都在用 OCaml 编写函数式代码。这个标题有点设了个陷阱：我喜欢函数式编程，但我想解释它为何重要，以及为什么一些常见理由对我们来说没那么重要。

这场演讲回应 John Hughes 1988 年的论文《Why Functional Programming Matters》。Hughes 为函数式编程提出了有说服力的论证，我推荐大家阅读。我同意它很有价值，但我会将不同的理由放在首位。

Hughes 将高阶函数、纯函数和惰性求值列为标志性的优势。软件工程在很大程度上是通过分离关注点和组合模块来管理复杂度；他认为这些特性是让模块化成为可能的黏合剂。

高阶函数将函数视为一等值：可以把函数存进哈希表、传给另一个函数，或放进引用。例如，OCaml 的 map 函数接收列表和一个函数，将该函数应用于表头，再递归地映射列表尾部。

高阶函数让我们能够定义自己的控制流，不必只依赖语言设计者提供的循环、迭代器或推导式。一个大型函数起初可能用布尔标志选择行为，后来改用变体；随着选择增多，传入函数就能让它交出控制权，待该函数返回后再继续执行。

纯函数的行为只依赖输入，唯一效果是返回结果。它不依赖计数器或一天中的时间，也不写文件或向屏幕打印。纯函数更容易推理，也能像数学函数一样组合。

可变操作可以通过共享状态在程序各部分之间建立通信通道。由于这个通道没有体现在函数的输入和返回值中，代码可能更难推理。尽管如此，真实系统需要副作用，例如与交易所通信，因此在所有作用域都强制保持纯净可能很困难。

惰性求值指表达式只在需要时才计算。可以把自然数无限列表定义为 n 后接从 n + 1 开始的数：严格求值会永远运行下去，而 Haskell 这样的惰性语言可以按需使用该列表。

Hughes 用国际象棋示例说明惰性求值如何将终止条件与循环分开。程序的一部分根据棋规定义可能走法的树，另一部分遍历它以寻找最佳走法。遍历时可以把树视为可用，而不必预先生成整棵树；没有惰性求值时，遍历还必须管理所需节点的生成。

我们同意高阶函数非常有用。纯函数在一定程度上有帮助，但可能让大型系统更难编写；Jane Street 相对较少使用惰性求值。我们的优先顺序反映了所构建的系统类型。

Jane Street 是一家自营交易公司和做市商，用自己的资金在全球交易所交易。演讲时，我们每天完成约 100 万笔交易，覆盖约 200 家交易所，并拥有约 1 PB 的历史数据。我们的系统使用 OCaml 编写。

我们首先关心正确性。系统处理数十亿美元，一个高频循环中的小错误可能在几秒内造成巨大损失。由于交易的是自有资金，重大损失会直接影响公司。清晰度也很重要：代码碰巧正确，但晦涩到没人能确定其正确原因，几乎和错误代码一样令人担忧。

我们也重视灵活应变能力，即快速、高效、安全地修改系统的能力。交易机会可能很快消失，监管变化也可能规定期限，过期后我们就不能交易。每位开发者负责许多系统，因此我们希望避免样板代码，并获得语言支持，防止意外后果。

性能同样重要，尽管我们的主要目标不是在降低交易所延迟的竞赛中获胜。交易代码必须有竞争力，而对 1 PB 数据的分析不能无限期运行。OCaml 不如 C 快，但性能合理且相对可预测。

OCaml 编译器相对简单，有助于我们理解机器层面执行的代码；源码的小改动通常不会导致巨大的性能变化。相比之下，我曾见过 Haskell 中细微的改动阻止编译器优化，造成审查时可能不明显的性能变化。这是一个权衡，并非因为性能就应拒绝函数式语言。

我们的排序是：表达能力强的静态类型第一，高阶函数第二，其次是纯函数，惰性求值则低得多。表达能力强的类型系统可以表示元组、记录和代数数据类型；静态检查让编译器在程序运行前检查是否安全使用它们。

以空指针为例。程序员可能忽略值为空的情况，从而触发异常。Tony Hoare 曾将发明空引用称为自己的“十亿美元错误”。在 OCaml 中，类型为 t 的值就是 t，不会暗中可能为 null；选项类型则明确表示 Some 值或 None。

使用选项时，编译器要求我们考虑两种可能。在类型表达能力不足的语言中，注释可能保证函数绝不返回 null，但注释需要人们信任和维护。类型签名让这种可能性可见，并让编译器强制处理。

类型还帮助我们安全扩展系统。设想交易所发来的执行消息：确认表示已收到订单消息，订单退出表示订单不再有效，成交则报告带有数量和方向的一笔交易。持仓更新函数匹配这些情况：确认和退出不改变持仓，成交则改变持仓。

现在假设交易所还发送成交撤销消息，取消此前报告的一笔成交。这类消息出现得足够频繁，我们必须处理。将成交撤销加入变体类型后，编译器会指出未考虑新情况的匹配，包括系统其他位置的代码。我增加功能时会用这种技术找出所有需要重新考虑行为的地方。

第二个例子是合并两个映射。两者使用相同的键类型；提供的函数针对某个键接收分别来自两个映射的可选值，并返回一个可选结果。合并操作考虑任一输入中存在的键，并根据函数结果构建输出映射。

调用者匹配两个可选值时似乎有四种情况，但两者都是 None 的情况不可能发生：该键必定至少出现在一个输入映射中。我们可以断言这种情况不可能，但读者或审查者仍需核实这个说法。

另一种做法是定义包含 Left、Right 和 Both 的类型，并将其传给组合函数。这样不可能出现的 None/None 情况就消失了。代码更清晰，审查者不再需要证明该分支不可达，我们也提前剪掉了组合空间中不必要的一支。

更一般的原则是让非法状态无法表示。如果某些值的组合不可能同时存在，就把这一事实编码进类型。也可以手工维护不变量，论证每个函数都保留它，但这很难长期坚持；合适的类型可以从构造上强制保证不变量。

例如，一条连接记录可能包含状态、服务器、ping 信息和时间戳。连接当前处于已连接状态时，断开时间意味着什么？如果连接已断开或从未收到 ping，最近一次 ping 又意味着什么？并非每个字段在每种状态下都有意义。

可以改用变体，让每种状态明确携带其中可用的信息。断开连接的分支包含其他分支没有的断开时间。这样不变量在类型中清晰可见，也能防止意外出现无效组合，从而提升正确性和清晰度。

回顾一下，惰性求值可能有用，但它使性能难以推理。一个多次表现可预测的函数，在陌生且波动的市场环境中可能突然慢得多，而那恰恰是系统需要保持可用以进行交易的时候。

纯函数很有用，OCaml 也支持它；但如果强制使用纯函数引入更多复杂度，对我们来说就不值得。高阶函数很出色，而表达能力强的静态类型位列首位。幸运的是，OCaml 和 Haskell 等语言同时提供这些特性；这个排序描述的是如果必须选择，我们会如何选择。