Java 中的函数式编程（一）概念

[amy815]

写在前面

从 Java 8 开始，Java 语言添加了 lambda 表达式以及函数式接口等新特性。这意味着 Java 语言也开始逐步提供函数式编程的能力。

事实上，如果你熟悉 Erlang 、Scala 、JavaScript 或 Python，那你或多或少对函数式编程相对熟悉。但如果你是一个通过常规路径学习的 Javaer，可能对函数式编程思想不甚了解，相对的，你可能对面向对象编程思想会更熟悉。

先熟悉一下几个术语，有利于提升大家的逼格：
FP，Functional Programming，函数式编程
OOP，Object Oriented Programming，面向对象编程
虽然 FP 是在最近 10 年才流行起来的，但它的历史和 OOP 几乎等长。

本系列文章的重点在于介绍 Java 中的函数式编程，Java 作为一个经典的 OOP 编程语言，在实际应用中，大部分 Java 程序都是 OOP+FP 的混合式代码。因此，对于函数式编程中的一些高级特性和技巧，例如 Currying 、惰性求值、尾递归等，我们不做专门的阐述，感兴趣的同学，可以搜索公众号，员说，查看完整文章，一起讨论。

下面，我们先了解一下函数式编程的定义以及它的优点。

本文的示例代码可从 gitee 上获取：
https://gitee.com/cnmemset/javafp

什么是函数式编程？

函数式编程是一种编程范式（ programming paradigm ），追求的目标是整个程序都由函数调用（ function applying ）以及函数组合（ function composing ）构成的。

函数调用大家容易理解，但在函数式编程中，函数调用有一个限制——它不会改变函数以外的其它状态，换而言之，即函数调用不会改变在该函数之外定义的变量值。这种函数有个专门的术语——纯函数（ purely function ）。纯函数有个特点，当参数值不变的时候，多次运行纯函数，得到的结果总是一样的。这个特点特别有利于对纯函数进行 unit test 和 debugging 。

函数组合指的是将一系列简单函数组合起来形成一个复合函数。函数组合是一个相对复杂的概念，譬如在 Python 中：

from functools import reduce
def compose(*funcs) -> int:
    """将一组简单函数 [f, g, h] 组合为一个复合函数 (f(g(h(...)))) """
    return reduce(lambda f, g: lambda x: f(g(x)), funcs)

# 例子
f = lambda x: x + 1
g = lambda x: x * 2
h = lambda x: x - 3
# 调用复合函数 f(g(h(x))：[(x-3) * 2] + 1
print(compose(f, g, h)(10))  // print 15

在 Java 中，java.util.Objects.Consumer<t style="font-size: inherit; color: inherit; line-height: inherit; margin: 0px; padding: 0px;"> 接口的默认方法 andThen 是一个简单的函数组合函数：</t>

default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
    Objects.requireNonNull(after);
    return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
}

函数式编程的特性
函数式编程有几个重要的特性：

1. 函数是“第一等公民”（ first-class citizens ）

函数是“第一等公民”，意味着函数和其它数据类型具备同等的地位——可以赋值给某个变量，可以作为另一个函数的参数，也可以作为另一个函数的返回值。

判断某种开发语言对函数式编程支持程度高低，一个重要的标准就是该语言是否把函数作为“第一等公民”。

例如下面的 Java 代码，print 变量可以看做是一个匿名函数，它作为一个参数传入了函数 ArrayList.forEach 。更多的语言细节可以参考随后的系列文章。

public static void simpleFunctinoProgramming() {
    List<String> l = Arrays.asList("a", "b", "c");
    Consumer<String> print = s -> System.out.println(s);
    l.forEach(print);
}

上述代码会输出：

a
b
c

没有“副作用（ side effects ）”

“副作用（ side effects ）”，指的是函数在执行的时候，除了得出计算结果之外，还会改变函数以外的状态。“副作用”的典型场景就是修改了程序的全局变量（譬如 Java 中某个全局可见的类的属性值、某个类的静态变量等等）；修改传入的参数也属于“副作用”之一； IO 操作或调用其它有“副作用”的函数也属于“副作用”。

函数式编程中要求函数都是“纯函数（ purely function ）”。给定了参数后，多次运行纯函数，总会得到相同的返回值，而且它不会修改函数以外的状态或产生其它的“副作用”。

“副作用”的含义是如此苛刻，但有的时候我们需要在计算过程中保存状态，然而我们又不能使用可变量，此时我们使用递归，利用保存在栈上的参数来记录状态。下面的代码是一个经典的实例，它定义了一个将字符串反转的函数 reverse 。可以看到，reverse 在执行时的中间状态，是通过它在递归时的参数来保存的。务必牢记，在函数式编程中，所有的参数和变量都是 final 的（只能赋值 1 次而且赋值后不可变）：

public static String reverse(final String arg) {
    if (arg.length() == 0) {
        return arg;
    } else