JS `Effect Systems` (提案) 与 `Pure Function` 的形式化验证

各位观众老爷，晚上好！我是今晚的讲师，花名“代码搬运工”，今天咱来聊聊 JS 的 Effect Systems (提案) 和 Pure Function 的形式化验证，听起来有点高大上，其实就是把一些常见的编程概念，用更严谨的方式来描述，然后看看能不能用工具来验证一下。别怕，我尽量说得通俗易懂，争取让大家听完之后，觉得“哦，原来是这么回事儿！”

一、开胃小菜：什么是 Pure Function (纯函数)？

既然要聊形式化验证，那首先得搞清楚什么是 Pure Function。简单来说，纯函数就是：

同样的输入，永远得到同样的输出。 就像 1 + 1 永远等于 2 一样。
没有任何副作用 (Side Effect)。 也就是说，函数执行过程中，不会修改任何外部状态，比如全局变量、DOM 元素等等。

举个例子：

// 纯函数
function add(a, b) {
  return a + b;
}

// 非纯函数 (修改了全局变量)
let globalValue = 0;
function impureAdd(a, b) {
  globalValue = a + b;
  return a + b;
}

// 非纯函数 (依赖外部状态)
function getRandomNumber() {
  return Math.random();
}

纯函数的好处嘛，那可太多了：

可预测性： 同样的输入，永远得到同样的输出，方便调试和测试。
可缓存性： 可以将纯函数的计算结果缓存起来，下次再用同样的输入时，直接返回缓存结果，提高性能。
易于组合： 纯函数可以像乐高积木一样，自由组合成更复杂的逻辑。
易于测试： 由于纯函数没有副作用，测试起来非常简单，只需要验证输入输出是否符合预期即可。

二、正餐：Effect Systems (提案) 是个啥？

JS 的 Effect Systems (提案) 旨在帮助开发者更好地管理和控制副作用。它通过类型系统来追踪函数可能产生的副作用，从而帮助开发者编写更安全、更可预测的代码。

目前这个提案还在草案阶段，所以具体实现可能会有所变化。但是，核心思想是：

给函数标记副作用类型： 比如，如果一个函数会修改 DOM 元素，就可以给它标记一个 DOM 的副作用类型。
类型检查器会检查副作用： 如果一个函数被标记为 pure，但实际上却产生了副作用，类型检查器就会报错。
控制副作用的范围： 可以通过某种机制，限制副作用的范围，比如只允许在特定的模块中产生副作用。

简单来说，Effect Systems 就像一个副作用警察，时刻监督你的代码，确保你没有偷偷地搞破坏。

三、形式化验证：用数学证明代码的正确性

形式化验证是一种使用数学方法来证明代码正确性的技术。听起来很吓人，但其实没那么复杂。它的核心思想是：

将代码抽象成数学模型： 比如，将一个函数抽象成一个数学函数，将变量抽象成数学变量。
使用数学工具来证明代码的性质： 比如，证明一个函数是否是纯函数，或者证明一个函数是否满足特定的规格。

形式化验证有很多种方法，比如：

模型检查 (Model Checking)： 通过穷举所有可能的状态，来验证系统是否满足特定的性质。
定理证明 (Theorem Proving)： 通过构造逻辑证明，来证明系统是否满足特定的性质。
抽象解释 (Abstract Interpretation)： 通过对程序进行抽象，来分析程序的行为。

四、JS 中如何进行形式化验证？

JS 是一门动态类型语言，进行形式化验证比较困难。但是，还是有一些工具和技术可以帮助我们：

TypeScript + Effect Systems (提案)： TypeScript 可以帮助我们添加类型信息，Effect Systems (提案) 可以帮助我们追踪副作用。结合起来，可以更容易地进行形式化验证。
静态分析工具： 比如 ESLint、JSHint 等，可以帮助我们检查代码中是否存在潜在的错误和副作用。
测试框架： 比如 Jest、Mocha 等，可以帮助我们编写测试用例，验证代码的正确性。
形式化验证工具： 比如 Dafny、Frama-C 等，虽然这些工具主要用于验证 C/C++ 等语言的代码，但是也可以通过一些技巧，用来验证 JS 代码。

五、代码实战：验证 Pure Function

咱们来用一个简单的例子，演示一下如何验证一个 JS 函数是否是纯函数。

// 待验证的函数
function add(a, b) {
  return a + b;
}

方法一：手动分析

最简单的方法就是手动分析。我们可以仔细阅读代码，看看它是否满足纯函数的两个条件：

同样的输入，永远得到同样的输出： 显然，add(1, 2) 永远等于 3。
没有任何副作用： add 函数没有修改任何外部状态。

所以，我们可以得出结论：add 函数是一个纯函数。

方法二：使用 TypeScript + ESLint

我们可以使用 TypeScript 来添加类型信息，然后使用 ESLint 来检查代码中是否存在潜在的副作用。

首先，安装 TypeScript 和 ESLint：

npm install -D typescript eslint @typescript-eslint/parser @typescript-eslint/eslint-plugin

然后，配置 TypeScript：

// tsconfig.json
{
  "compilerOptions": {
    "target": "esnext",
    "module": "esnext",
    "moduleResolution": "node",
    "strict": true,
    "esModuleInterop": true,
    "skipLibCheck": true,
    "forceConsistentCasingInFileNames": true
  }
}

配置 ESLint：

// .eslintrc.js
module.exports = {
  parser: '@typescript-eslint/parser',
  plugins: ['@typescript-eslint'],
  extends: [
    'eslint:recommended',
    'plugin:@typescript-eslint/recommended',
  ],
  rules: {
    // 可以添加一些自定义的规则，比如禁止修改全局变量
    'no-global-assign': 'error',
  },
};

然后，将 add 函数改写成 TypeScript 代码：

// add.ts
function add(a: number, b: number): number {
  return a + b;
}

export default add;

最后，运行 ESLint：

eslint add.ts

如果 ESLint 没有报错，就说明 add 函数可能是一个纯函数。但是，这并不能完全保证 add 函数是纯函数，因为 ESLint 只能检查一些常见的副作用，无法检查所有可能的副作用。

方法三：使用测试框架

我们可以使用测试框架来编写测试用例，验证 add 函数的正确性。

首先，安装 Jest：

npm install -D jest

然后，编写测试用例：

// add.test.js
import add from './add';

describe('add', () => {
  it('should return the sum of two numbers', () => {
    expect(add(1, 2)).toBe(3);
    expect(add(3, 4)).toBe(7);
  });

  it('should always return the same output for the same input', () => {
    const a = 1;
    const b = 2;
    const result1 = add(a, b);
    const result2 = add(a, b);
    expect(result1).toBe(result2);
  });
});

最后，运行 Jest：

jest

如果所有测试用例都通过了，就说明 add 函数可能是一个纯函数。但是，这并不能完全保证 add 函数是纯函数，因为测试用例只能覆盖一些常见的输入，无法覆盖所有可能的输入。

方法四：使用形式化验证工具 (理论上)

虽然目前还没有专门用于验证 JS 代码的形式化验证工具，但是我们可以通过一些技巧，将 JS 代码转换成其他语言的代码，然后使用其他语言的形式化验证工具来验证。

比如，我们可以将 JS 代码转换成 Dafny 代码，然后使用 Dafny 来验证。

Dafny 是一种程序验证语言，它支持形式化验证，可以用来证明程序的正确性。

// Dafny code
function add(a: int, b: int): int {
  a + b
}

lemma AddIsPure(a: int, b: int)
  ensures add(a, b) == add(a, b)
{
}

上面的 Dafny 代码定义了一个 add 函数，并使用 lemma 证明了 add 函数是纯函数。

虽然这种方法比较麻烦，但是它可以提供更强的保证，可以证明代码在所有可能的输入下都是正确的。

六、总结：Effect Systems + 形式化验证 = 代码界的“保险”

Effect Systems (提案) 和形式化验证都是提高代码质量的有效手段。

Effect Systems 可以帮助我们更好地管理和控制副作用，从而编写更安全、更可预测的代码。

形式化验证可以帮助我们证明代码的正确性，从而避免潜在的错误和漏洞。

虽然这些技术比较复杂，但是它们可以大大提高代码的质量，减少维护成本，提高软件的可靠性。

可以这么说， Effect Systems 就像给JS代码上了保险，形式化验证就是对这份保险进行核保，双管齐下，让你的代码更安全！

七、Q&A 环节

好了，今天的讲座就到这里。接下来是 Q&A 环节，大家有什么问题可以提出来，我尽力解答。别客气，大胆地问吧！就算我答不上来，也可以一起讨论学习嘛！毕竟，我也是个代码搬运工，不是代码上帝。

(讲师喝口水，期待着大家的提问)

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