Java 语言中常被忽视的一个方面是它被归类为一种命令式

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 （请参阅参考资料）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”（请参阅参考资料）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。

引用透明性函数程序通常还加强引用透明性，即如果提供同样的输入，那么函数总是返回同样的结果。

就是说，表达式的值不依赖于可以改变值的全局状态。

这使您可以从形式上推断程序行为，因为表达式的意义只取决于其子表达式而不是计算顺序或者其他表达式的副作用。

这有助于验证正确性、简化算法，甚至有助于找出优化它的方法。

副作用副作用是修改系统状态的语言结构。

因为FP 语言不包含任何赋值语句，变量值一旦被指派就永远不会改变。

而且，调用函数只会计算出结果── 不会出现其他效果。

因此，FP 语言没有副作用。

这些基本描述应足以让您完成本文中的函数编程例子。

有关这个主题的更多参考资料请参阅参考资料一节。

Java 语言中的函数编程不管是否相信，在Java 开发实践中您可能已经遇到过闭包和高阶函数，尽管当时您可能没有意识到。

例如，许多Java 开发人员在匿名内部类中封闭Java 代码的一个词汇单元（lexical unit）时第一次遇到了闭包。

这个封闭的Java 代码单元在需要时由一个高阶函数执行。

例如，清单1 中的代码在一个类型为ng.Runnable 的对象中封闭了一个方法调用。

清单 1. 隐藏的闭包Runnable worker = new Runnable(){public void run(){parseData();}};方法parseData 确实封闭（因而有了名字“闭包”）在Runnable 对象的实例worker 中。

它可以像数据一样在方法之间传递，并可以在任何时间通过发送消息（称为run ）给worker 对象而执行。

更多的例子另一个在面向对象世界中使用闭包和高阶函数的例子是Visitor 模式。

如果还不熟悉这种模式，请参阅参考资料以了解更多有关它的内容。

基本上，Visitor 模式展现一个称为Visitor 的参与者，该参与者的实例由一个复合对象（或者数据结构）接收，并应用到这个数据结构的每一个构成节点。

Visitor 对象实质上封闭了处理节点/元素的逻辑，使用数据结构的accept (visitor) 方法作为应用逻辑的高阶函数。

通过使用适当不同的Visitor 对象（即闭包），可以对数据结构的元素应用完全不同的处理逻辑。

与此类似，可以向不同的高阶函数传递同样的闭包，以用另一种方法处理数据结构（例如，这个新的高阶函数可以实现不同逻辑，用于遍历所有构成元素）。

类java.utils.Collections 提供了另一个例子，这个类在版本1.2 以后成为了Java 2 SDK 的一部分。

它提供的一种实用程序方法是对在java.util.List 中包含的元素排序。

不过，它使调用者可以将排序列表元素的逻辑封装到一个类型为parator 的对象中，其中Comparator 对象作为第二个参数传递给排序方法。

在内部，sort 方法的引用实现基于合并-排序（merge-sort）算法。

它通过对顺序中相邻的对象调用Comparator 对象的compare 方法遍历列表（list）中的元素。

在这种情况下，Comparator 是闭包，而Collections.sort 方法是高阶函数。

这种方式的好处是明显的：可以根据在列表中包含的不同对象类型传递不同的Comparator 对象（因为如何比较列表中任意两个对象的逻辑安全地封装在Comparator 对象中）。

与此类似，sort 方法的另一种实现可以使用完全不同的算法（比如说，快速排序（quick-sort））并仍然重复使用同样的Comparator 对象，将它作为基本函数应用到列表中两个元素的某种组合。

创建闭包广意地说，有两种生成闭包的技术，使用闭包的代码可以等效地使用这两种技术。

创建闭包后，可以以统一的方式传递它，也可以向它发送消息以让它执行其封装的逻辑。

因此，技术的选择是偏好的问题，在某些情况下也与环境有关。

最后一次要求下载！从这以后的讨论将结合基于Apache Commons Functor 库的例子。

如果您还没有下载这个库，应当现在就下载。

我将假定您可以访问Javadocs 所带的Apache 库，因此对单独的库类不再做过多的说明。

在第一种技术表达式特化（expression specialization）中，由基础设施为闭包提供一个一般性的接口，通过编写这个接口的特定实现创建具体的闭包。

在第二种技术表达式合成（expression composition）中，基础设施提供实现了基本一元/二元/三元/.../n 元操作（比如一元操作符not 和二元操作符and / or ）的具体帮助类。

在这里，新的闭包由这些基本构建块的任意组合创建而成。

我将在下面的几节中详细讨论这两种技术。

表达式特化假定您在编写一个在线商店的应用程序。

商店中可提供的商品用类SETLItem 表示。

每一件商品都有相关的标签价格，SETLItem 类提供了名为getPrice 的方法，对商品实例调用这个方法时，会返回该商品的标签价格。

如何检查item1 的成本是否不低于item2 呢？在Java 语言中，一般要编写一个像这样的表达式：assert(item1.getPrice() >= item2.getPrice());像这样的表达式称为二元谓词（binary predicate），二元是因为它取两个参数，而谓词是因为它用这两个参数做一些事情并生成布尔结果。

不过要注意，只能在执行流程中执行上面的表达式，它的输出取决于item1 和item2 在特定瞬间的值。

从函数编程的角度看，这个表达式还不是一般性的逻辑，就是说，它不能不管执行控制的当前位置而随心所欲地传递并执行。

为了使二元谓词发挥作用，必须将它封装到一个对象中，通过特化（specializing）一个称为BinaryPredicate 的接口做到这一点，这个接口是由Apache Functor 库提供的，如清单 2 所示。

清单 2. 表达式特化方法package sys.setl.fp;public class SETLItem{private String name;private String code;private int price;private String category;public int getPrice(){return price;}public void setPrice(int inPrice){price = inPrice;}public String getName(){return name;}public void setName(String inName){name = inName;}public String getCode(){return code;}public void setCode(String inCode){code = inCode;}public String getCategory(){return category;}public void setCategory(String inCategory){category = inCategory;}}package sys.setl.fp;import parator;public class PriceComparator implements Comparator{public int compare (Object o1, Object o2){return (((SETLItem)o1).getPrice()-((SETLItem)o2).getPrice()); }}package sys.setl.fp;import mons.functor.*;import parator.*;import java.util.*;public class TestA{public static void main(String[] args){try{Comparator pc = new PriceComparator();BinaryPredicate bp = new IsGreaterThanOrEqual(pc);SETLItem item1 = new SETLItem();item1.setPrice(100);SETLItem item2 = new SETLItem();item2.setPrice(99);if (bp.test(item1, item2))System.out.println("Item1 costs more than Item2!");elseSystem.out.println("Item2 costs more than Item1!");SETLItem item3 = new SETLItem();item3.setPrice(101);if (bp.test(item1, item3))System.out.println("Item1 costs more than Item3!");elseSystem.out.println("Item3 costs more than Item1!");}catch (Exception e){e.printStackTrace();}}}BinaryPredicate 接口以由Apache Functor 库提供的IsGreaterThanOrEqual 类的形式特化。