在本系列的 第一期 中，我首先討論函數編程的一些特點(diǎn)，并演示如何在 Java 和其他函數語(yǔ)言中體現這些觀(guān)念。在本文中，我將繼續討論這些概念，講解一級函數、優(yōu)化和閉包。但本期的內在主題是控制：什么時(shí)候想要控制、什么時(shí)候需要控制、什么時(shí)候應該放棄控制。
我在上一部分最后通過(guò)使用 Functional Java 庫（見(jiàn) 參考資料），演示了用函數 isFactor() 和 factorsOf() 方法實(shí)現數字分類(lèi)器，如清單 1 所示：
public class FNumberClassifier { public boolean isFactor(int number, int potential_factor) { return number % potential_factor == 0; } public List<Integer> factorsOf(final int number) { return range(1, number+1).filter(new F<Integer, Boolean>() { public Boolean f(final Integer i) { return number % i == 0; } }); } public int sum(List<Integer> factors) { return factors.foldLeft(fj.function.Integers.add, 0); } public boolean isPerfect(int number) { return sum(factorsOf(number)) - number == number; } public boolean isAbundant(int number) { return sum(factorsOf(number)) - number > number; } public boolean isDeficiend(int number) { return sum(factorsOf(number)) - number < number; }} |
在 isFactor() 和 factorsOf() 方法中，我停止了對框架循環(huán)算法的控制 — 它決定如何通過(guò)最好的方式遍歷所有數字。如果框架（或者 — 如果您選擇一門(mén)函數語(yǔ)言，如 Clojure 或 Scala — 語(yǔ)言）能優(yōu)化底層實(shí)現，那么您就可以自動(dòng)從中獲益。盡管您一開(kāi)始可能不愿放棄這么多控制，但要知道這是編程語(yǔ)言和運行時(shí)的普遍趨勢：隨著(zhù)時(shí)代發(fā)展，開(kāi)發(fā)人員會(huì )越來(lái)越遠離那些平臺能更有效處理的細節。我從不擔心 JVM 的內存管理，因為平臺可以讓我忘了它。當然，有時(shí)候它也會(huì )讓事情變得更復雜，但是對于您從日復一日的編碼中獲得的收益來(lái)說(shuō)，這是值得的。函數語(yǔ)言結構，如高階和一級函數，能讓我對抽象的理解更進(jìn)一步，讓我更多地將精力放在代碼能做什么 而不是怎么做 上。
即使使用 Functional Java 框架，在 Java 中以這種風(fēng)格編程也很麻煩，因為這種語(yǔ)言并沒(méi)有真正的這類(lèi)語(yǔ)法和結構。在支持的語(yǔ)言中進(jìn)行函數編碼是什么樣的呢？
Clojure 是一種用于 JVM 的 Lisp（見(jiàn) 參考資料）?？纯从?Clojure 編寫(xiě)的數字分類(lèi)器，如清單 2 所示：
(ns nealford.perfectnumbers)(use '[clojure.contrib.import-static :only (import-static)])(import-static java.lang.Math sqrt)(defn is-factor?[factor number] (= 0 (rem number factor)))(defn factors [number] (set (for [n (range 1 (inc number)) :when (is-factor? n number)] n)))(defn sum-factors [number] (reduce + (factors number)))(defn perfect?[number] (= number (- (sum-factors number) number)))(defn abundant?[number] (< number (- (sum-factors number) number)))(defn deficient?[number] (> number (- (sum-factors number) number))) |
即使您不是熟練的 Lisp 開(kāi)發(fā)人員，也能輕松讀懂 清單 2 中的大多數代碼 — 您可以學(xué)著(zhù)從內向外讀。例如，is-factor? 方法有兩個(gè)參數，它判斷 number 除以 factor 時(shí)余數是否等于零。同樣，perfect?、abundant? 和 deficient? 方法也很容易理解，尤其是參考一下 清單 1 的 Java 實(shí)現之后。
sum-factors 方法使用內置的 reduce 方法。sum-factors 一次減少一個(gè)列表元素，它使用函數（本例中，是 +）作為每個(gè)元素的第一個(gè)參數。reduce 方法在幾種語(yǔ)言和框架中會(huì )有不同的形式；清單 1 是 foldLeft() 方法的 Functional Java 版本。factors 方法會(huì )返回一個(gè)數字列表，因此我一次處理一個(gè)數字，將每個(gè)元素加入和中，該和數就是 reduce 的返回值。您會(huì )看到，一旦您習慣了從高階和一級函數的角度思考，您就能減少（一語(yǔ)雙關(guān)）代碼中無(wú)用的部分。
factors 方法可能看上去像一個(gè)隨機符號集。但如果您理解了列表的含義，您就知道這么做是有道理的，這是 Clojure 中強大的列表操作功能之一。和之前一樣，從內向外閱讀 factors 就很容易理解。不要被這些混在一起的語(yǔ)言術(shù)語(yǔ)搞糊涂。Clojure 中的 for 關(guān)鍵詞并不表示 for 循環(huán)。相反，將它當成是所有過(guò)濾和轉換結構的來(lái)源。本例中，我讓它過(guò)濾從 1 到（number + 1）范圍的數字，使用 is-factor? 謂詞（我在之前的 清單 2 中定義的 is-factor 方法 — 請注意一類(lèi)函數的大量使用），返回匹配的數字。從此操作返回的是一組滿(mǎn)足過(guò)濾標準的數字列表，我將其放入一個(gè)集合來(lái)刪除重復值。
盡管學(xué)習一門(mén)新的語(yǔ)言很麻煩，但對于函數語(yǔ)言，當您了解其特點(diǎn)后，學(xué)起來(lái)就容易得多。
轉換到函數樣式的收益之一就是能利用語(yǔ)言或框架提供的高階函數。那么不想放棄控制的時(shí)候呢？我在之前的例子中，把遍歷機制的內部行為比作內存管理器的內部運作：大多數時(shí)候，您會(huì )很高興不用關(guān)心那些細節。但有時(shí)候您會(huì )關(guān)心這些問(wèn)題，特別是在遇到優(yōu)化或類(lèi)似任務(wù)時(shí)。
在 “運用函數式思維，第 1 部分” 的數字分類(lèi)器的兩個(gè) Java 版本中，我優(yōu)化了確定因子的代碼。原先是簡(jiǎn)單的使用取模運算符（%）的實(shí)現，它非常低效，它自己檢查從 2 到目標數的每個(gè)數字，確定是否是因子。因子是成對出現的，可以通過(guò)這點(diǎn)來(lái)優(yōu)化算法。例如，如果您查找 28 的因子，當您找到 2 時(shí)，那么同時(shí)會(huì )找到 14。如果您成對獲取因子，您只需要檢查到目標數的平方根即可。
在 Java 版本中很容易完成的實(shí)現似乎在 Functional Java 版本中很難做到，因為我無(wú)法直接控制遍歷機制。但作為函數式思維的一部分，您需要放棄這種控制觀(guān)念，學(xué)會(huì )用另一種控制。
我會(huì )以函數式思維重新說(shuō)明原來(lái)的問(wèn)題：過(guò)濾所有 1 到 number 的因子，只保留匹配 isFactor() 謂詞的因子。其實(shí)現見(jiàn)清單 3:
isFactor() 方法 public List<Integer> factorsOf(final int number) { return range(1, number+1).filter(new F<Integer, Boolean>() { public Boolean f(final Integer i) { return number % i == 0; } });} |
盡管看上去很優(yōu)雅，但 清單 3 中的代碼效率很低，因為它會(huì )檢查每個(gè)數。在了解優(yōu)化（成對獲取因子，只檢查到平方根）之后，重述問(wèn)題如下：
記住了這個(gè)目標，我就可以用 Functional Java 庫寫(xiě)出 factorsOf() 方法的優(yōu)化版本，如清單 4 所示：
public List<Integer> factorsOfOptimzied(final int number) { List<Integer> factors = range(1, (int) round(sqrt(number)+1)) .filter(new F<Integer, Boolean>() { public Boolean f(final Integer i) { return number % i == 0; }}); return factors.append(factors.map(new F<Integer, Integer>() { public Integer f(final Integer i) { return number / i; }})) .nub();} |
清單 4 中的代碼是基于我之前講過(guò)的算法，其中有一些獨特的語(yǔ)法，這是 Functional Java 框架所必需的。首先，獲取數的范圍是從 1 到目標數的平方根加 1（確保能取到所有因子）。第二步，根據與之前版本一樣的取模操作方法過(guò)濾結果，這些都包含在 Functional Java 代碼段中。我將過(guò)濾后的列表放在 factors 變量中。第四步（從內到外閱讀），獲取因子列表，并執行 map() 函數，它在代碼中對每個(gè)元素進(jìn)行處理（將每個(gè)元素 映射到一個(gè)新值），從而產(chǎn)生一個(gè)新的列表。因子列表中包含到目標數平方根的所有因子；需要除以每個(gè)數以獲得對稱(chēng)因子，而 map() 方法就是完成這個(gè)任務(wù)的。第五步，現在已經(jīng)有了對稱(chēng)因子列表，我將它添加到原來(lái)的列表中。最后一步，有個(gè)情況我必需考慮，因子保存在 List 中，而不是 Set 中。List 方法對于這些類(lèi)型操作很方便，但我的算法有個(gè)副作用，就是出現整數平方根時(shí)，會(huì )有重復。例如，如果目標數是 16，平方根的整部部分 4 會(huì )在因子列表中出現兩次。為了能繼續使用方便的 List 方法，我只要在最后調用 nub() 方法，它將刪除所有重復值。
一般情況下在使用高級抽象，比如函數編程時(shí)，您不需要了解實(shí)現細節，但這并不意味這在必要的情況下，就無(wú)法了解。Java 平臺大多數情況下不需要您知道底層內容，但如果您下定決心，您就可以了解到你想達到的層次的內容。同樣，在函數編程結構中，您可以把細節留給抽象機制，在出現問(wèn)題的時(shí)候才去關(guān)注它。
到目前為止所演示的 Functional Java 代碼中，最精華的部分是代碼的語(yǔ)法，它使用了泛型和匿名內部類(lèi)作為偽代碼段和閉包類(lèi)型結構。閉包是函數語(yǔ)言的共有特征之一。為什么它們用處這么大？
閉包是一個(gè)會(huì )對它內部引用的所有變量進(jìn)行隱式綁定的函數。換句話(huà)說(shuō)，這個(gè)函數（或方法）會(huì )對它引用的所有內容關(guān)閉上下文。閉包經(jīng)常會(huì )在函數語(yǔ)言和框架中用作可移動(dòng)執行機制，會(huì )作為轉換代碼傳遞給高階函數，如 map()。Functional Java 使用匿名內部閉包來(lái)模仿 “實(shí)際” 閉包行為，但不能一直這樣做，因為 Java 不支持閉包。這意味著(zhù)什么？
清單 5 是一個(gè)樣例，演示了閉包的特別之處。這是用 Groovy 編寫(xiě)的，它通過(guò)代碼段塊機制支持閉包。
def makeCounter() { def very_local_variable = 0 return { return very_local_variable += 1 }}c1 = makeCounter()c1()c1()c1()c2 = makeCounter()println "C1 = ${c1()}, C2 = ${c2()}"http:// output:C1 = 4, C2 = 1 |
makeCounter() 方法首先定義了一個(gè)具有適當名稱(chēng)的本地變量，然后返回使用該變量的代碼段。請注意，makeCounter() 方法的返回類(lèi)型是代碼段，而不是值。代碼段做的事就是增加本地變量的值并返回。我在代碼中設置了顯式 return 調用，這在 Groovy 中都是可選的，但如果不用，代碼就更難懂了！
為了能使用 makeCounter() 方法，我將代碼段指定為 C1 變量，然后調用三次。我使用了 Groovy 的語(yǔ)法糖（syntactic sugar）來(lái)執行此代碼段，結果放置在代碼段變量旁邊的圓括號中。接下來(lái)，我再次調用 makeCounter()，將代碼段的一個(gè)新實(shí)例指定為 C2。最后，我再次執行 C1 和 C2。請注意，每個(gè)代碼段都能追蹤到 very_local_variable 的一個(gè)單獨實(shí)例。這就是封閉的上下文 的含義。即使在方法內部定義本地變量，代碼段仍會(huì )綁定到該變量，因為變量引用了代碼段，這意味著(zhù)在代碼段可用時(shí)，變量必須能追蹤到它。
在 Java 中實(shí)現相同操作的最簡(jiǎn)單的方法如清單 6：
Counter public class Counter { private int varField; public Counter(int var) { varField = var; } public static Counter makeCounter() { return new Counter(0); } public int execute() { return ++varField; }} |
對 Counter 類(lèi)進(jìn)行一些變化都可以，但您一定要自己管理狀態(tài)。以上演示了為什么閉包體現了函數思想：讓運行時(shí)管理狀態(tài)。與其強迫自己處理字段創(chuàng )建和原始狀態(tài)（包括在多線(xiàn)程環(huán)境中使用代碼的可怕前景），還不如讓語(yǔ)言或框架默默地管理狀態(tài)。
在以后的 Java 版本中會(huì )有閉包（關(guān)于本話(huà)題的討論已超出本文范圍）。Java 中包含它們將有兩項收益。首先，在改進(jìn)語(yǔ)法的同時(shí)，大大簡(jiǎn)化框架和庫作者的能力。第二，為所有在 JVM 上運行的語(yǔ)言提供一個(gè)底層的共同基礎。即使很多 JVM 語(yǔ)言支持閉包，但它們都實(shí)現自己的版本，這造成在語(yǔ)言之間傳遞閉包非常麻煩。如果 Java 定義了一個(gè)單一格式，那么其他所有語(yǔ)言都能利用它。
回避對底層細節的控制是軟件開(kāi)發(fā)的普遍趨勢。我們很高興不用再操心垃圾回收、內存管理和硬件差異。函數編程代表了下一個(gè)抽象階段：將更加瑣碎的細節如遍歷、并發(fā)性和狀態(tài)盡可能留給運行時(shí)處理。這并不意味著(zhù)您在需要的時(shí)候無(wú)法再控制它們 — 是您想要控制，而不是被迫控制。
在下一篇文章中，我將繼續探討 Java 及同類(lèi)語(yǔ)言中的函數編程結構，我將會(huì )介紹 currying 和 partial method application。
學(xué)習
獲得產(chǎn)品和技術(shù)
討論
Neal Ford 是一家全球性 IT 咨詢(xún)公司 ThoughtWorks 的軟件架構師和 Meme Wrangler。他的工作還包括設計和開(kāi)發(fā)應用程序、教材、雜志文章、課件和視頻/DVD 演示，而且他是各種技術(shù)書(shū)籍的作者或編輯，包括最近的新書(shū) The Productive Programmer 。他主要的工作重心是設計和構建大型企業(yè)應用程序。他還是全球開(kāi)發(fā)人員會(huì )議上的國際知名演說(shuō)家。請訪(fǎng)問(wèn)他的 Web 站點(diǎn)。
聯(lián)系客服
