學(xué)會像一個函數(shù)式程序員那樣思考

1、 學(xué)會像一個函數(shù)式程序員那樣思考在開始進入正題之前，我們先來做一個比喻。假設(shè)你是一個伐木工人，你擁有一把這個森林里最好的斧子，而它使也你成為了當?shù)刈钣猩a(chǎn)力的伐木工人。 某一天，有人向你展示并稱贊了一個新的伐木工具-電鋸。由于銷售人員是一個非常能推銷的人，所以你買了一把電鋸回來，盡管你并不知道如何去用。于是你嘗試像以前砍樹那樣的來回擺動去鋸樹。并且你很快得出了一個結(jié)論這個新式的電鋸毫無用處，于是你又重新拿起斧子去伐木。一直到有人過來并給你演示了如何去運轉(zhuǎn)電鋸，你才明白這里的不同。你可能聯(lián)想到了用函數(shù)式編程來代替故事中的電鋸。但是問題在于函數(shù)式編程是一種全新的編程模式，而不是一門新的語言，語法只

2、是一個細節(jié)問題。而最不同的地方是要如何以不同的方式去思考。而我作為一名“電鋸演示者”和一個函數(shù)式程序員來到了這里。歡迎來到函數(shù)式思維專欄。這個系列將探索函數(shù)式編程的話題，但是并不僅僅局限在函數(shù)式編程語言有關(guān)的內(nèi)容上。正如我描繪的那樣，以函數(shù)式的方法來寫代碼涉及到了設(shè)計，權(quán)衡，代碼重用和其他一系列的觀點。我會嘗試著以Java（或是類Java語言）的方式盡可能多的展示函數(shù)式編程的概念， 進而演示一些其他語言的能力-那些Java不具有的能力。當然我不會直接切入的非常深，然后討論一些時髦的事物。取而代之的是，我會逐漸演示一種新的思考問題的方式（或許你已經(jīng)在某些地方用了，但還沒有意識到）。在接下來的兩部

3、分里，你可以把它當作是有關(guān)于函數(shù)式編程話題的一個旅行。其中的某些概念將會有大量的細節(jié)，在這個系列中我會用更多的情景和細節(jié)去描述。在旅程開始前，我將帶你看一下一個相同問題的兩個不同實現(xiàn)，一個用傳統(tǒng)的方式來寫，另一個使用更多的函數(shù)式方式。數(shù)字歸類談?wù)搩煞N不同的編程模式，你必須用代碼來做比較。第一個例子是我另一本書The Productive Programmer和測試驅(qū)動設(shè)計1，2兩篇文章中的一個變體。我選取了少量的代碼，因為在這兩篇文章里已經(jīng)深入的分析了這段代碼。這些文章對這個設(shè)計所做的稱贊并沒有錯，但我想在這里進一步提供一個不同的設(shè)計意圖。問題的需求是這樣的：假設(shè)給定任意一個正整數(shù)都大于1，你

4、必須按照完美的，過剩的和不足的進行歸類。一個完美數(shù)正好是它所有整除因子的總和。同樣地，一個過剩數(shù)的所有整除因子總和大于該數(shù)，而一個不足數(shù)的所有整除因子總和小于該數(shù)?？焖贁?shù)字歸類器列表1中的類（NumberClassifier）滿足所有這些需求：publicclassClassifier6privateSet_factors;privateint_number;publicClassifier6(intnumber)if(number1)thrownewInvalidNumberException(Cantclassifynegativenumbers);_number=number;_fact

5、ors=newHashSet();_factors.add(1);_factors.add(_number);privatebooleanisFactor(intfactor)return_number%factor=0;publicSetgetFactors()return_factors;privatevoidcalculateFactors()for(inti=1;i_number;publicbooleanisDeficient()returnsumOfFactors()-_number_number;publicstaticbooleanisPerfect(intnumber)ret

6、urnnewClassifier6(number).isPerfect();這段代碼有幾處地方需要關(guān)注一下：它擁有大范圍的測試（有一部分我是為了討論測試驅(qū)動開發(fā)而寫的）注：這條所說的測試位于作者另一篇文章中。這個類由大量的緊耦合方法組成，在它的構(gòu)造函數(shù)中擁有測試驅(qū)動開發(fā)的邊際效應(yīng)。在calculateFactors()方法里內(nèi)嵌了性能優(yōu)化算法。這個類的主體是由采集因子組成，因此我可以在之后對它們進行求和并進行最終的歸類。整除因子總是以成對的形式被獲取。例如，如果這個數(shù)是16，當我采集的因子為2時，我就能得到另一個因子為8，因為8x2=16。如果我獲得的因子是成對的，那么我只需要去檢查那些有平方

7、根的數(shù)，這就是calculateFactors()方法所做的事情。更多的功能歸類使用相同的測試開發(fā)技術(shù)，我創(chuàng)建了一個修改后的版本。列表2，更豐富的功能數(shù)字歸類器publicclassNumberClassifierstaticpublicbooleanisFactor(intnumber,intpotential_factor)returnnumber%potential_factor=0;staticpublicSetfactors(intnumber)HashSetfactors=newHashSet();for(inti=1;i=sqrt(number);i+)if(isFactor(n

8、umber,i)factors.add(i);factors.add(number/i);returnfactors;staticpublicintsum(Setfactors)Iteratorit=factors.iterator();intsum=0;while(it.hasNext()sum+=(Integer)it.next();returnsum;staticpublicbooleanisPerfect(intnumber)returnsum(factors(number)-number=number;staticpublicbooleanisAbundant(intnumber)r

9、eturnsum(factors(number)-numbernumber;staticpublicbooleanisDeficient(intnumber)returnsum(factors(number)-numbernumber;這兩個版本的類盡管差別細微但是很重要。最主要的區(qū)別是例2的版本缺少了狀態(tài)共享。消除狀態(tài)共享在函數(shù)式編程中是比較受歡迎的一種抽象手法。作為跨方法共享狀態(tài)的替代方案，我采用直接調(diào)用的方式來消除狀態(tài)共享。從設(shè)計的角度來說，它讓factors()方法變的更長，但是它也防止了factors字段暴漏到方法之外。注意，例2是完全由靜態(tài)方法組成的。在方法間不存在知識共享的問題，

10、因此我可以在更少函數(shù)范圍上做封裝。一旦你給它們輸入?yún)?shù)和期待值，這些方法都會工作的很好（這個是一個純函數(shù)例子，這個概念我在將來會進一步探索它）。函數(shù)函數(shù)式編程屬于一個寬泛的計算機科學(xué)范疇，它已經(jīng)受到了極大的關(guān)注。有新的基于JVM上開發(fā)的函數(shù)式語言（如scala和clojure）和框架（如Functional Java和Akka），它們都聲稱能夠帶來更少的缺陷，更高的生產(chǎn)力，更易讀，更賺錢等等。相比駐足門外的去解決函數(shù)式編程這一大話題，我更愿意將注意力放在一些概念以及這些概念衍生出來的話題上。函數(shù)式編程的核心就是函數(shù), 正如在面向?qū)ο笳Z言里面類是主要的抽象那樣。函數(shù)形成了處理過程的基礎(chǔ)，同時它具

11、有其他傳統(tǒng)語言沒有的一系列特性。高階函數(shù)高階函數(shù)可以將其他函數(shù)作為參數(shù)或者作為返回結(jié)果。這在Java語言中是無法想像的。最接近的方案是你使用一個類（通常是匿名類）作為執(zhí)行方法的“持有者”。Java沒有獨立的函數(shù)（或方法），因此它們不能作為返回值或參數(shù)出現(xiàn)。這個能力對函數(shù)式語言來說很重要的原因有兩點：第一，擁有高階函數(shù)就意為著你可以在如何連結(jié)語言元素上作出一個假設(shè)。例如，你可以構(gòu)建一個機制來消除一個類繼承體系上的一大堆方法，通過遍歷列表并對每一個元素應(yīng)用一個（或多個）高階函數(shù)來實現(xiàn)。（我將展示一個簡短的例子給你）第二，通過將函數(shù)作為返回值，你有機會去創(chuàng)建一個高動態(tài)，適應(yīng)性的系統(tǒng)。通過使用高階函數(shù)

12、我們就可以使問題服從于方案，但高階函數(shù)對函數(shù)式語言來說并不是唯一的。因此，當你在使用函數(shù)式思維的時候， 你解決問題思路就會不一樣。考慮一下列表3中的例子，一個保護數(shù)據(jù)訪問的方法：publicvoidaddOrderFrom(ShoppingCartcart,StringuserName,Orderorder)throwsExceptionsetupDataInfrastructure();tryadd(order,userKeyBasedOn(userName);addLineItemsFrom(cart,order.getOrderKey();completeTransaction();ca

13、tch(Exceptioncondition)rollbackTransaction();throwcondition;finallycleanUp();列表3中的代碼執(zhí)行初始化等具體任務(wù)，如果所有操作都成功就完成事務(wù)，反之回滾，并在最后清理掉資源。很明顯，代碼有一部分可以被重用，并且我們在面向?qū)ο笳Z言中也常常創(chuàng)建這樣的結(jié)構(gòu)。在這個例子中，我組合使用了兩個“四人團”的設(shè)計模式：模版方法和命令模式。模版方法建議我應(yīng)該移動一些通用的模版代碼到繼承體系中，并推遲算法細節(jié)到子類。命令行模式提供了一個方法以眾所周知的執(zhí)行語義來封裝行為到類，列表4就是列表3代碼應(yīng)用這兩個模式之后的樣子：列表4 重構(gòu)順序后

14、的代碼publicvoidwrapInTransaction(Commandc)throwsExceptionsetupDataInfrastructure();tryc.execute();completeTransaction();catch(Exceptioncondition)rollbackTransaction();throwcondition;finallycleanUp();publicvoidaddOrderFrom(finalShoppingCartcart,finalStringuserName,finalOrderorder)throwsExceptionwrapInT

15、ransaction(newCommand()publicvoidexecute()add(order,userKeyBasedOn(userName);addLineItemsFrom(cart,order.getOrderKey(););在列表4中，我提取了一部分通用的代碼到wrapInTransaction()（這個樣式你可能認識-這是最簡單的Spring事務(wù)模版的版本）方法中，傳遞一個命令對象作為工作單元。addOrderFrom()方法包含了一個匿名內(nèi)部類的創(chuàng)建，這個類以命令模式封裝了兩個工作單元。封裝行為純粹是Java的設(shè)計產(chǎn)物，我需要用到一個不包含任何形式的，獨立行為的命令類。J

16、ava中所有的行為都必須駐留在一個類中。甚至語言的設(shè)計者很早的就看到了這個不足，但是顯然在發(fā)布后再去考慮不將行為聯(lián)接到類上就有些晚了。因此在JDK1.1中糾正了這個缺陷，通過添加匿名內(nèi)部類的方式來實現(xiàn)。這只是以一種語法糖的方式來為少量的方法創(chuàng)建一大堆小類，這樣做僅僅是從純功能角度出發(fā)，而非從結(jié)構(gòu)上。如果想看有關(guān)Java這方面有趣的文章，請看Steve Yegges的Execution in the Kingdom of Nouns。盡管我非常想要類里面的這個方法，但Java還是強制我去創(chuàng)建一個命令類的實例。這個類本身沒有任何用處：它沒有字段，沒有構(gòu)造器（這個由java自動生成），并且也沒有狀態(tài)

17、。它純粹的目的就是為了在方法里包裝行為。在函數(shù)式語言里，我們通過高階函數(shù)來取代這個模式。如果我不準備用Java的類，那么我可能采用最接近的語義是函數(shù)式編程里面的閉包。列表5顯示了重構(gòu)后的例子，但是使用Groovy代替了Java。列表5， 使用Groovy的閉包代替命令類defwrapInTransaction(command)setupDataInfrastructure()trycommand()completeTransaction()catch(Exceptionex)rollbackTransaction()throwexfinallycleanUp()defaddOrderFrom(

18、cart,userName,order)wrapInTransactionaddorder,userKeyBasedOn(userName)addLineItemsFromcart,order.getOrderKey()在Groovy里面，任何位于大括號之間的東西都是一個代碼塊，并且代碼塊可以被當作參數(shù)來模仿一個高階函數(shù)。在這種情景下，Groovy為你實現(xiàn)了命令模式。Groovy中的每一個閉包塊就是一個Groovy的閉包類型，它包含一個call（）方法。當你把一對空括號放到變量后面用于保存閉包實例時，該方法會被自動調(diào)用。Groovy啟用了一些類函數(shù)式編程的行為，通過在語言本身使用相應(yīng)的語法糖來

19、構(gòu)建適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。正如我將會逐步展示的那樣，Groovy也包含其他函數(shù)式語言的能力。我將在下面的部分繼續(xù)對閉包和高階函數(shù)做一些有意思的比較。第一級函數(shù)函數(shù)被認為是函數(shù)式語言里面的一等公民，這就意味著函數(shù)可以出現(xiàn)在任何地方，正如其他語言的構(gòu)造體（如變量）那樣。在思考不同解決方案的時候，第一級函數(shù)的存在允許函數(shù)以一種特別的方式來使用，如應(yīng)用同樣的比較操作到相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上。這就體現(xiàn)了函數(shù)式語言的一個基本思考原則：關(guān)注結(jié)果，而不是過程。在命令式的編程語言里，我必須考慮算法的每一個原子操作。如列表1的代碼顯示的那樣。為了實現(xiàn)數(shù)字歸類器，我不得不精確的識別如何去采集整除因子，這就意為著為了確定一個因子

20、，我不得不寫代碼去遍歷所有數(shù)字。但是像遍歷列表，然后對每一個元素實施操作，這聽起來像是很通用的東西?？紤]使用Functional Java框架來重新實現(xiàn)數(shù)字歸類器的代碼，代碼如列表6所示：列表6. 函數(shù)式的數(shù)字歸類器publicclassFNumberClassifierpublicbooleanisFactor(intnumber,intpotential_factor)returnnumber%potential_factor=0;publicListfactors(finalintnumber)returnrange(1,number+1).filter(newF()publicBool

21、eanf(finalIntegeri)returnnumber%i=0;);publicintsum(Listfactors)returnfactors.foldLeft(fj.function.Integers.add,0);publicbooleanisPerfect(intnumber)returnsum(factors(number)-number=number;publicbooleanisAbundant(intnumber)returnsum(factors(number)-numbernumber;publicbooleanisDeficiend(intnumber)retur

22、nsum(factors(number)-numbernumber;列表6和列表2的不同在于兩個方法：sum()和factors()。在Functional Java里， Sum()方法具有List類的foldLeft()方法優(yōu)勢。列表操作概念上的一個具體變化就是被稱之為catamorphism，它是列表折疊上的一般化。在這里“向左折疊”的意思是：1.攜帶一個初始值并組合它到列表的第一個元素上2.攜帶結(jié)果并應(yīng)用相同的操作到下一個元素上3.一直操作直到列表結(jié)束注意當你對一堆數(shù)求和的時候，所做的事情是非常明顯的：從零開始，加上第一關(guān)元素，攜帶結(jié)果去加第二個，重復(fù)這個過程直到所有列表的元素都被處理。Functional Java提供高階函數(shù)（在這個例子里就是Intergers.add枚舉器）并小心翼翼的為你的代碼啟用它。（當然Java真的沒有高階函數(shù)，但是你可以通過限制具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和類型來寫一個較類似的東西）。在列表6里面另一奇妙的方法是factors()，它充分說明了我關(guān)于“關(guān)注結(jié)果，而不