《java 8 实战》读书笔记 -第十三章 函数式的思考

一、实现和维护系统

1.共享的可变数据

如果一个方法既不修改它内嵌类的状态，也不修改其他对象的状态，使用return返回所有的计算结果，那么我们称其为纯粹的或者无副作用的。
副作用就是函数的效果已经超出了函数自身的范畴。下面是一些例子。

• 除了构造器内的初始化操作，对类中数据结构的任何修改，包括字段的赋值操作（一个典型的例子是setter方法）。
• 抛出一个异常。
• 进行输入/输出操作，比如向一个文件写数据。

从另一个角度来看“无副作用”的话，我们就应该考虑不可变对象。不可变对象是这样一种对象，它们一旦完成初始化就不会被任何方法修改状态。这意味着一旦一个不可变对象初始化完毕，它永远不会进入到一个无法预期的状态。你可以放心地共享它，无需保留任何副本，并且由于它们不会被修改，还是线程安全的。如果构成系统的各个组件都能遵守这一原则，该系统就能在完全无锁的情况下，使用多核的并发机制。

2.声明式编程

如果你希望通过计算找出列表中最昂贵的事务，摒弃传统的命令式编程“如何做”的风格，采用如下这种“要做什么”风格的编程通常被称为声明式编程（利用了函数库，内部迭代）。

Optional<Transaction> mostExpensive = 
 transactions.stream() 
 .max(comparing(Transaction::getValue));

3.为什么要采用函数式编程

使用函数式编程，你可以实现更加健壮的程序，还不会有任何的副作用。

二、什么是函数式编程

对于“什么是函数式编程”这一问题最简化的回答是“它是一种使用函数进行编程的方式”。

当谈论“函数式”时，我们想说的其实是“像数学函数那样——没有副作用”。由此，编程上的一些精妙问题随之而来。我们的意思是，每个函数都只能使用函数和像if-then-else这样的数学思想来构建吗？或者，我们也允许函数内部执行一些非函数式的操作，只要这些操作的结果不会暴露给系统中的其他部分？换句话说，如果程序有一定的副作用，不过该副作用不会为其他的调用者感知，是否我们能假设这种副作用不存在呢？调用者不需要知道，或者完全不在意这些副作用，因为这对它完全没有影响。当我们希望能界定这二者之间的区别时，我们将第一种称为纯粹的函数式编程，后者称为函数式编程。

1.函数式 Java 编程

我们的准则是，被称为“函数式”的函数或方法都只能修改本地变量。除此之外，它引用的对象都应该是不可修改的对象。通过这种规定，我们期望所有的字段都为final类型，所有的引用类型字段都指向不可变对象。

要被称为函数式，函数或者方法不应该抛出任何异常。
那么，如果不使用异常，你该如何对除法这样的函数进行建模呢？答案是请使用Optional<T>类型

最后，作为函数式的程序，你的函数或方法调用的库函数如果有副作用，你必须设法隐藏它们的非函数式行为，否则就不能调用这些方法。

2.引用透明性

如果一个函数只要传递同样的参数值，总是返回同样的结果，那这个函数就是引用透明的。

Java语言中，关于引用透明性还有一个比较复杂的问题。假设你对一个返回列表的方法调用了两次。这两次调用会返回内存中的两个不同列表，不过它们包含了相同的元素。如果这些列表被当作可变的对象值（因此是不相同的），那么该方法就不是引用透明的。如果你计划将这些列表作为单纯的值（不可修改），那么把这些值看成相同的是合理的，这种情况下该方法是引用透明的。通常情况下，在函数式编程中，你应该选择使用引用透明的函数。

3.面向对象的编程和函数式编程的对比

作为Java程序员，毫无疑问，你一定使用过某种函数式编程，也一定使用过某些我们称为极端面向对象的编程。一种支持极端的面向对象：任何事物都是对象，程序要么通过更新字段完成操作，要么调用对与它相关的对象进行更新的方法。另一种观点支持引用透明的函数式编程，认为方法不应该有（对外部可见的）对象修改。

三、递归和迭代

纯粹的函数式编程语言通常不包含像while或者for这样的迭代构造器。之后你该如何编写程序呢？比较理论的答案是每个程序都能使用无需修改的递归重写，通过这种方式避免使用迭代。使用递归，你可以消除每步都需更新的迭代变量。
比如阶乘

static long factorialStreams(long n){ 
 return LongStream.rangeClosed(1, n) 
 .reduce(1, (long a, long b) -> a * b); 
}

每次执行factorialRecursive方法调用都会在调用栈上创建一个新的栈帧，用于保存每个方法调用的状态（即它需要进行的乘
法运算），这个操作会一直指导程序运行直到结束。这意味着你的递归迭代方法会依据它接收的输入成比例地消耗内存。这也是为什么如果你使用一个大型输入执行factorialRecursive方法，很容易遭遇StackOverflowError异常：

Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError

函数式语言提供了一种方法解决这一问题：尾调优化（tail-call optimization）,基本的思想是你可以编写阶乘的一个迭代定义，不过迭代调用发生在函数的最后（所以我们说调用发生在尾部）。
基于“尾递”的阶乘

static long factorialTailRecursive(long n) { 
 return factorialHelper(1, n); 
} 

static long factorialHelper(long acc, long n) { 
 return n == 1 ? acc : factorialHelper(acc * n, n-1); 
}

使用栈桢方式的阶乘的递归定义:

阶乘的尾递定义这里它只使用了一个栈帧:

坏消息是，目前Java还不支持这种优化。很多的现代JVM语言，比如Scala和Groovy都已经支持对这种形式的递归的优化，最终实现的效果和迭代不相上下（它们的运行速度几乎是相同的）。