《java 8 實(shí)戰(zhàn)》讀書筆記 -第十三章函數(shù)式的思考

Donne 發(fā)布于2019-08-16 17:14 / 1907人閱讀

摘要：當(dāng)我們希望能界定這二者之間的區(qū)別時(shí)，我們將第一種稱為純粹的函數(shù)式編程，后者稱為函數(shù)式編程。函數(shù)式編程我們的準(zhǔn)則是，被稱為函數(shù)式的函數(shù)或方法都只能修改本地變量。另一種觀點(diǎn)支持引用透明的函數(shù)式編程，認(rèn)為方法不應(yīng)該有對(duì)外部可見的對(duì)象修改。

一、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)系統(tǒng) 1.共享的可變數(shù)據(jù)

如果一個(gè)方法既不修改它內(nèi)嵌類的狀態(tài)，也不修改其他對(duì)象的狀態(tài)，使用return返回所有的計(jì)算結(jié)果，那么我們稱其為純粹的或者無副作用的。
副作用就是函數(shù)的效果已經(jīng)超出了函數(shù)自身的范疇。下面是一些例子。

除了構(gòu)造器內(nèi)的初始化操作，對(duì)類中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的任何修改，包括字段的賦值操作（一個(gè)典型的例子是setter方法）。

拋出一個(gè)異常。

進(jìn)行輸入/輸出操作，比如向一個(gè)文件寫數(shù)據(jù)。

從另一個(gè)角度來看“無副作用”的話，我們就應(yīng)該考慮不可變對(duì)象。不可變對(duì)象是這樣一種對(duì)象，它們一旦完成初始化就不會(huì)被任何方法修改狀態(tài)。這意味著一旦一個(gè)不可變對(duì)象初始化完畢，它永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)入到一個(gè)無法預(yù)期的狀態(tài)。你可以放心地共享它，無需保留任何副本，并且由于它們不會(huì)被修改，還是線程安全的。如果構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)組件都能遵守這一原則，該系統(tǒng)就能在完全無鎖的情況下，使用多核的并發(fā)機(jī)制。

2.聲明式編程

如果你希望通過計(jì)算找出列表中最昂貴的事務(wù)，摒棄傳統(tǒng)的命令式編程“如何做”的風(fēng)格，采用如下這種“要做什么”風(fēng)格的編程通常被稱為聲明式編程（利用了函數(shù)庫(kù)，內(nèi)部迭代）。

Optional mostExpensive = 
 transactions.stream() 
 .max(comparing(Transaction::getValue));

3.為什么要采用函數(shù)式編程

使用函數(shù)式編程，你可以實(shí)現(xiàn)更加健壯的程序，還不會(huì)有任何的副作用。

二、什么是函數(shù)式編程

對(duì)于“什么是函數(shù)式編程”這一問題最簡(jiǎn)化的回答是“它是一種使用函數(shù)進(jìn)行編程的方式”。

當(dāng)談?wù)摗昂瘮?shù)式”時(shí)，我們想說的其實(shí)是“像數(shù)學(xué)函數(shù)那樣——沒有副作用”。由此，編程上的一些精妙問題隨之而來。我們的意思是，每個(gè)函數(shù)都只能使用函數(shù)和像if-then-else這樣的數(shù)學(xué)思想來構(gòu)建嗎？或者，我們也允許函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行一些非函數(shù)式的操作，只要這些操作的結(jié)果不會(huì)暴露給系統(tǒng)中的其他部分？換句話說，如果程序有一定的副作用，不過該副作用不會(huì)為其他的調(diào)用者感知，是否我們能假設(shè)這種副作用不存在呢？調(diào)用者不需要知道，或者完全不在意這些副作用，因?yàn)檫@對(duì)它完全沒有影響。當(dāng)我們希望能界定這二者之間的區(qū)別時(shí)，我們將第一種稱為純粹的函數(shù)式編程，后者稱為函數(shù)式編程。

1.函數(shù)式 Java 編程

我們的準(zhǔn)則是，被稱為“函數(shù)式”的函數(shù)或方法都只能修改本地變量。除此之外，它引用的對(duì)象都應(yīng)該是不可修改的對(duì)象。通過這種規(guī)定，我們期望所有的字段都為final類型，所有的引用類型字段都指向不可變對(duì)象。

要被稱為函數(shù)式，函數(shù)或者方法不應(yīng)該拋出任何異常。
那么，如果不使用異常，你該如何對(duì)除法這樣的函數(shù)進(jìn)行建模呢？答案是請(qǐng)使用Optional類型

最后，作為函數(shù)式的程序，你的函數(shù)或方法調(diào)用的庫(kù)函數(shù)如果有副作用，你必須設(shè)法隱藏它們的非函數(shù)式行為，否則就不能調(diào)用這些方法。

2.引用透明性

如果一個(gè)函數(shù)只要傳遞同樣的參數(shù)值，總是返回同樣的結(jié)果，那這個(gè)函數(shù)就是引用透明的。

Java語(yǔ)言中，關(guān)于引用透明性還有一個(gè)比較復(fù)雜的問題。假設(shè)你對(duì)一個(gè)返回列表的方法調(diào)用了兩次。這兩次調(diào)用會(huì)返回內(nèi)存中的兩個(gè)不同列表，不過它們包含了相同的元素。如果這些列表被當(dāng)作可變的對(duì)象值（因此是不相同的），那么該方法就不是引用透明的。如果你計(jì)劃將這些列表作為單純的值（不可修改），那么把這些值看成相同的是合理的，這種情況下該方法是引用透明的。通常情況下，在函數(shù)式編程中，你應(yīng)該選擇使用引用透明的函數(shù)。

3.面向?qū)ο蟮木幊毯秃瘮?shù)式編程的對(duì)比

作為Java程序員，毫無疑問，你一定使用過某種函數(shù)式編程，也一定使用過某些我們稱為極端面向?qū)ο蟮木幊獭Ｒ环N支持極端的面向?qū)ο螅喝魏问挛锒际菍?duì)象，程序要么通過更新字段完成操作，要么調(diào)用對(duì)與它相關(guān)的對(duì)象進(jìn)行更新的方法。另一種觀點(diǎn)支持引用透明的函數(shù)式編程，認(rèn)為方法不應(yīng)該有（對(duì)外部可見的）對(duì)象修改。

三、遞歸和迭代

純粹的函數(shù)式編程語(yǔ)言通常不包含像while或者for這樣的迭代構(gòu)造器。之后你該如何編寫程序呢？比較理論的答案是每個(gè)程序都能使用無需修改的遞歸重寫，通過這種方式避免使用迭代。使用遞歸，你可以消除每步都需更新的迭代變量。
比如階乘

static long factorialStreams(long n){ 
 return LongStream.rangeClosed(1, n) 
 .reduce(1, (long a, long b) -> a * b); 
}

每次執(zhí)行factorialRecursive方法調(diào)用都會(huì)在調(diào)用棧上創(chuàng)建一個(gè)新的棧幀，用于保存每個(gè)方法調(diào)用的狀態(tài)（即它需要進(jìn)行的乘
法運(yùn)算），這個(gè)操作會(huì)一直指導(dǎo)程序運(yùn)行直到結(jié)束。這意味著你的遞歸迭代方法會(huì)依據(jù)它接收的輸入成比例地消耗內(nèi)存。這也是為什么如果你使用一個(gè)大型輸入執(zhí)行factorialRecursive方法，很容易遭遇StackOverflowError異常：

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

函數(shù)式語(yǔ)言提供了一種方法解決這一問題：尾調(diào)優(yōu)化（tail-call optimization）,基本的思想是你可以編寫階乘的一個(gè)迭代定義，不過迭代調(diào)用發(fā)生在函數(shù)的最后（所以我們說調(diào)用發(fā)生在尾部）。
基于“尾遞”的階乘

static long factorialTailRecursive(long n) { 
 return factorialHelper(1, n); 
} 

static long factorialHelper(long acc, long n) { 
 return n == 1 ? acc : factorialHelper(acc * n, n-1); 
}

使用棧楨方式的階乘的遞歸定義:

階乘的尾遞定義這里它只使用了一個(gè)棧幀:

壞消息是，目前Java還不支持這種優(yōu)化。很多的現(xiàn)代JVM語(yǔ)言，比如Scala和Groovy都已經(jīng)支持對(duì)這種形式的遞歸的優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)的效果和迭代不相上下（它們的運(yùn)行速度幾乎是相同的）。