Java语言中的函数编程

Java 语言中常被忽视的一个方面是它被归类为一种命令式(imperative)编程语言。命令式编程虽然由于与 Java 语言的关联而相当普及,但是并不是惟一可用的编程风格,也不总是最有效的。在本文中,我将探讨在 Java 开发实践中加入不同的编程方法 ── 即函数编程(FP)。

命令式编程是一种用程序状态描述计算的方法。使用这种范型的编程人员用语句改变程序状态。这就是为什么,像 Java 这样的程序是由一系列让计算机执行的命令 (或者语句) 所组成的。另一方面, 函数编程是一种强调表达式的计算而非命令的执行的一种编程风格。表达式是用函数结合基本值构成的,它类似于用参数调用函数。

本文将介绍函数编程的基本特点,但是重点放在两个特别适用于 Java 开发框架的元素:闭包和高阶函数。如果您曾经使用过像 Python、Ruby 或者 Groovy 这样的敏捷开发语言,那么您就可能已经遇到过这些元素。在这里,您将看到在 Java 开发框架中直接使用它们会出现什么情况。我将首先对函数编程及其核心元素做一个简短的、概念性的综述,然后用常用的编程场景展示,用结构化的方式使用闭包和高阶函数会给 Java 代码带来什么好处。

什么是函数编程?

在经常被引用的论文 “Why Functional Programming Matters”中,作者 John Hughes 说明了模块化是成功编程的关键,而函数编程可以极大地改进模块化。在函数编程中,编程人员有一个天然框架用来开发更小的、更简单的和更一般化的模块, 然后将它们组合在一起。函数编程的一些基本特点包括:

支持闭包和高阶函数。

支持懒惰计算(lazy evaluation)。

使用递归作为控制流程的机制。

加强了引用透明性。

没有副作用。

我将重点放在在 Java 语言中使用闭包和高阶函数上,但是首先对上面列出的所有特点做一个概述。

闭包和高阶函数

函数编程支持函数作为第一类对象,有时称为 闭包或者 仿函数(functor)对象。实质上,闭包是起函数的作用并可以像对象一样操作的对象。与此类似,FP 语言支持 高阶函数。高阶函数可以用另一个函数(间接地,用一个表达式) 作为其输入参数,在某些情况下,它甚至返回一个函数作为其输出参数。这两种结构结合在一起使得可以用优雅的方式进行模块化编程,这是使用 FP 的最大好处。

命令式编程

命令式编程这个名字是从自然语言(比如英语)的 祈使语气(imperative mood)衍生出来的,在这种语气中宣布命令并按照执行。除 Java 语言之外,C 和 C++ 是另外两种广泛使用的、符合命令式风格的高级编程语言。

懒惰计算

除了高阶函数和仿函数(或闭包)的概念,FP 还引入了 懒惰计算的概念。在懒惰计算中,表达式不是在绑定到变量时立即计算,而是在求值程序需要产生表达式的值时进行计算。延迟的计算使您可以编写可能潜在地生成无穷输出的函数。因为不会计算多于程序的其余部分所需要的值,所以不需要担心由无穷计算所导致的 out-of-memory 错误。一个懒惰计算的例子是生成无穷 Fibonacci 列表的函数,但是对 第 n 个Fibonacci 数的计算相当于只是从可能的无穷列表中提取一项。

递归

FP 还有一个特点是用递归做为控制流程的机制。例如,Lisp 处理的列表定义为在头元素后面有子列表,这种表示法使得它自己自然地对更小的子列表不断递归。

关于实现库

我使用了由 Apache Commons Functor 项目提供的库构建本文使用的例子。Apache Commons Functor 库包括大量基本构造,可以在涉及闭包和高阶函数的复杂使用场景中重复使用。当然,可以使用不同的实现(如 Java Generic Libraries、Mango 或者 Generic Algorithms for Java),而不会对在本文中所讨论和展示的概念有影响,尽管您必须下载和使用 Apache Commons Functor 库才能演示这里的例子。

时间: 2016-01-31

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