Java函数式编程学习笔记（一）

1. 此函数非彼函数

在弄清楚什么是函数编程之前，有必要先弄清楚究竟什么是函数这个问题。在面向对象编程中，我们经常将方法称为函数，那么方法与函数究竟是否是同一个东西的不同称呼呢？函数式编程中的“函数”是指数学意义上的函数，不是编程语言中的“函数”。数学上的函数（Function）可以看成一个小机器，给这个机器提供一定的原材料（输入参数），它就会加工出（输出）一定的产品（返回值），如图1所示。

图1 函数示意图

图片来自：https://en.wikipedia.org/wiki/Function_(mathematics)

方法往往是有副作用（Side Effect）的，即一个方法的调用往往意味着对象状态的变化，而这种变化可能使得用同样的参数多次调用同一个方法，每次调用的返回值可能各不相同。而数学上的函数是没有副作用的（Side Effect Free），因此只要使用同样的参数调用同一个函数，那么不管调用这个函数多少次，每次调用的返回值总是相同的。例如，对于一个计算矩形面积的函数f(x,y)=x*y（x和y代表矩形的长和宽），那么无论调用多少次f(3,4)，每次的返回值总是12。

从“无副作用”的角度来看，一个方法只要对其的调用不会产生副作用，那么它就是一个函数，否则它就不是函数。例如，String.charAt(int)这个方法就是一个函数。System.currentTimeMillis()这个方法就不是函数，因为对其的每次调用的返回值都可能不相同。

2. 函数式编程：函数作为“一等公民”

面向对象编程是Java平台在Java 8之前就已经支持的一种编程范式（Paradigm），Java平台从Java 8开始支持另外一种编程范式——函数式编程（Functional Programming）。面向对象编程中，对象是“一等公民”。所谓“一等公民”就是指可以作为“值”的语言元素。“值”既可以赋值给变量，也可以作为方法调用的参数进行传递以及作为方法的返回值。例如，我们可以将“1024”赋值给一个int型变量，也可以将其作为方法调用的参数，或者作为一个方法的返回值。同样，对象（确切的说是对对象的引用，相当于指针）也可以作为一个变量（引用型变量）值或者作为一个方法调用的参数，或者作为一个方法的返回值（返回一个对象的方法我们通常称之为工厂方法）。

在面向对象编程中，方法（或者函数）并非“一等公民”，因为方法在这里就不是一个值。而在函数式编程中，函数翻身成为“一等公民”，因此在这里函数可以作为一个值赋值给一个变量，可以作为函数调用的参数（即用函数作为参数去调用一个函数），可以作为函数的返回值（即一个函数的返回值是另外一个函数）。

3. 函数式编程的优势

3.1. 编写更为简洁的代码

函数式编程使得我们能够编写更为简洁的代码。下面看一个例子。假设有个服务（如清单1所示），其启动动作（即Service.start()方法）比较耗时，因此我们希望用异步的方式去启动这个服务，以避免主线程被阻塞。

清单1 一个启动比较耗时的服务

public class SomeTimeConsumingService implements Service {
 @Override
 public void start() {
  // 模拟启动动作的耗时
  try {
   Thread.sleep(5000);
  } catch (InterruptedException e) {
   ;
  }
 }
}

为此，我们只需要创建一个专门的线程（工作者线程），并在该线程的run方法中调用Service.start()即可，如清单2所示。

清单2 以异步方式启动一个耗时服务（面向对象编程）

public class ServiceStarter {
 public static void main(String[] args) {
  Thread serviceStarter;
  final SomeTimeConsumingService service = new SomeTimeConsumingService();
    //创建Runnable实例以调用Service.start()
  serviceStarter = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
       service.start();
     }
   });
          //启动线程
  serviceStarter.start();
 }
}

清单2中我们创建的匿名Runnable实例的目的仅仅是为了在工作者线程中调用Service.start()而已。如果我们能够直接把Service.start()方法作为一个参数传递给Thread类的构造器（姑且将构造器看做一种特殊的方法），那么这里我们也就省却了创建Runnable实例，从而使代码更加简洁。在Java 8之后我们的确可以这么做，如清单3所示。

清单3 以异步方式启动一个耗时服务（函数式编程）

public class ServiceStarterFP {
 public static void main(String[] args) {
  Thread serviceStarter;
  final SomeTimeConsumingService service = new SomeTimeConsumingService();
  serviceStarter = new Thread(service::start);//直接将start方法作为参数传递给构造器
  serviceStarter.start();
 }
}

这里，“service::start”是一个方法引用（Method Reference），它表示对象service的start方法。可见，我们将一个方法作为一个参数传递给了Thread类的构造器，这使得清单3相比清单2中相应代码要简洁一些。读者也许在想，Thread类的构造器的参数的类型是java.lang.Runnable，何以我们能够将一个方法（作为“值”）作为其参数传入呢？这样为何不会出现类型不匹配（兼容）的问题呢？后续的笔记中我们会解释这一点。

从这个例子我们可以看到，Java 8中方法已然跻身作为函数的“一等公民”行列，因此方法可以作为参数进行传递。显然Service.start()并不是真正意义上函数，因为它是有副作用的（至少它有可能是有副作用的，因为它是用来启动一个服务的）。尽管如此，这个方法还是享受到了函数的“一等公民”待遇（作为值传递）。由此可见，Java 8中一个方法可以看做是一个函数，但是Java并不强制这个方法必须是无副作用的。

3.2. 函数式编程为并发编程提供了便利

函数式编程为并发编程提供了便利。函数是无副作用的，这就意味着这函数必须是无状态（Stateless）。无状态是多线程编程和函数式编程的共同好友。我们知道，在多线程编程中，如果多个线程之间存在共享可变状态（Shared Mutable State），那么为了确保线程安全我们往往需要借助锁，而锁除了其开销较大之外还存在可能导致死锁等问题。相反，如果多个线程之间不存在共享状态（或者仅存在只读状态），那么这些线程是可以并行（Parallel）的。这不仅有利于提高系统的并发性，也使得代码更为简单。函数也是类似，既然函数是（必须是）无状态的，那么多个线程同时执行一个函数的时候也就无需加锁，这既简化了代码又有利于提供系统的并发性。

4. 作者简介

黄文海，著有《Java多线程编程实战指南（核心篇）》、《Java多线程编程实战指南（设计模式篇）》。

5. 参考资料

1．Raoul-Gabriel Urma等.Java 8实战.人民邮电出版社,2016

2．黄文海.Java多线程编程实战指南（核心篇）.电子工业出版社,2017

3．黄文海.Java多线程编程实战指南（设计模式篇）.电子工业出版社,2015