Java函數語言程式設計學習筆記（一）
1.
此函式非彼函式
在弄清楚什麼是函式程式設計之前，有必要先弄清楚究竟什麼是函式這個問題。在面向物件程式設計中，我們經常將方法稱為函式，那麼方法與函式究竟是否是同一個東西的不同稱呼呢？函數語言程式設計中的“函式”是指數學意義上的函式，不是程式語言中的“函式”。數學上的函式（Function）可以看成一個小機器，給這個機器提供一定的原材料（輸入引數），它就會加工出（輸出）一定的產品（返回值），如圖1所示。
圖1
函式示意圖
圖片來自：https：//en。wikipedia。org/wiki/Function_（mathematics）
方法往往是有副作用（Side Effect）的，即一個方法的呼叫往往意味著物件狀態的變化，而這種變化可能使得用同樣的引數多次呼叫同一個方法，每次呼叫的返回值可能各不相同。而數學上的函式是沒有副作用的（Side Effect Free），因此只要使用同樣的引數呼叫同一個函式，那麼不管呼叫這個函式多少次，每次呼叫的返回值總是相同的。例如，對於一個計算矩形面積的函式f（x，y）=x*y（x和y代表矩形的長和寬），那麼無論呼叫多少次f（3，4），每次的返回值總是12。
從“無副作用”的角度來看，一個方法只要對其的呼叫不會產生副作用，那麼它就是一個函式，否則它就不是函式。例如，String。charAt（int）這個方法就是一個函式。System。currentTimeMillis（）這個方法就不是函式，因為對其的每次呼叫的返回值都可能不相同。
2.
函數語言程式設計：函式作為“一等公民”
面向物件程式設計是Java平臺在Java 8之前就已經支援的一種程式設計正規化（Paradigm），Java平臺從Java 8開始支援另外一種程式設計正規化——函數語言程式設計（Functional Programming）。面向物件程式設計中，物件是“一等公民”。所謂“一等公民”就是指可以作為“值”的語言元素。“值”既可以賦值給變數，也可以作為方法呼叫的引數進行傳遞以及作為方法的返回值。例如，我們可以將“1024”賦值給一個int型變數，也可以將其作為方法呼叫的引數，或者作為一個方法的返回值。同樣，物件（確切的說是對物件的引用，相當於指標）也可以作為一個變數（引用型變數）值或者作為一個方法呼叫的引數，或者作為一個方法的返回值（返回一個物件的方法我們通常稱之為工廠方法）。
在面向物件程式設計中，方法（或者函式）並非“一等公民”，因為方法在這裡就不是一個值。而在函數語言程式設計中，函式翻身成為“一等公民”，因此在這裡函式可以作為一個值賦值給一個變數，可以作為函式呼叫的引數（即用函式作為引數去呼叫一個函式），可以作為函式的返回值（即一個函式的返回值是另外一個函式）。
3.
函數語言程式設計的優勢
3.1.
編寫更為簡潔的程式碼
函數語言程式設計使得我們能夠編寫更為簡潔的程式碼。下面看一個例子。假設有個服務（如清單1所示），其啟動動作（即Service。start（）方法）比較耗時，因此我們希望用非同步的方式去啟動這個服務，以避免主執行緒被阻塞。
清單1
一個啟動比較耗時的服務
public
class
SomeTimeConsumingService
implements
Service
{
@Override
public
void
start
（）
{
// 模擬啟動動作的耗時
try
{
Thread
。
sleep
（
5000
）；
}
catch
（
InterruptedException
e
）
{
；
}
}
}
為此，我們只需要建立一個專門的執行緒（工作者執行緒），並在該執行緒的run方法中呼叫Service。start（）即可，如清單2所示。
清單2
以非同步方式啟動一個耗時服務（面向物件程式設計）
public
class
ServiceStarter
{
public
static
void
main
（
String
［］
args
）
{
Thread
serviceStarter
；
final
SomeTimeConsumingService
service
=
new
SomeTimeConsumingService
（）；
//建立Runnable例項以呼叫Service。start（）
serviceStarter
=
new
Thread
（
new
Runnable
（）
{
@Override
public
void
run
（）
{
service
。
start
（）；
}
}）；
//啟動執行緒
serviceStarter
。
start
（）；
}
}
清單2中我們建立的匿名Runnable例項的目的僅僅是為了在工作者執行緒中呼叫Service。start（）而已。如果我們能夠直接把Service。start（）方法作為一個引數傳遞給Thread類的構造器（姑且將構造器看做一種特殊的方法），那麼這裡我們也就省卻了建立Runnable例項，從而使程式碼更加簡潔。在Java 8之後我們的確可以這麼做，如清單3所示。
清單3
以非同步方式啟動一個耗時服務（函數語言程式設計）
public
class
ServiceStarterFP
{
public
static
void
main
（
String
［］
args
）
{
Thread
serviceStarter
；
final
SomeTimeConsumingService
service
=
new
SomeTimeConsumingService
（）；
serviceStarter
=
new
Thread
（
service
：：
start
）；
//直接將start方法作為引數傳遞給構造器
serviceStarter
。
start
（）；
}
}
這裡，“service：：start”是一個方法引用（Method Reference），它表示物件service的start方法。可見，我們將一個方法作為一個引數傳遞給了Thread類的構造器，這使得清單3相比清單2中相應程式碼要簡潔一些。讀者也許在想，Thread類的構造器的引數的型別是java。lang。Runnable，何以我們能夠將一個方法（作為“值”）作為其引數傳入呢？這樣為何不會出現型別不匹配（相容）的問題呢？後續的筆記中我們會解釋這一點。
從這個例子我們可以看到，Java 8中方法已然躋身作為函式的“一等公民”行列，因此方法可以作為引數進行傳遞。顯然Service。start（）並不是真正意義上函式，因為它是有副作用的（至少它有可能是有副作用的，因為它是用來啟動一個服務的）。儘管如此，這個方法還是享受到了函式的“一等公民”待遇（作為值傳遞）。由此可見，Java 8中一個方法可以看做是一個函式，但是Java並不強制這個方法必須是無副作用的。
3.2.
函數語言程式設計為併發程式設計提供了便利
函數語言程式設計為併發程式設計提供了便利。函式是無副作用的，這就意味著這函式必須是無狀態（Stateless）。無狀態是多執行緒程式設計和函數語言程式設計的共同好友。我們知道，在多執行緒程式設計中，如果多個執行緒之間存在共享可變狀態（Shared Mutable State），那麼為了確保執行緒安全我們往往需要藉助鎖，而鎖除了其開銷較大之外還存在可能導致死鎖等問題。相反，如果多個執行緒之間不存在共享狀態（或者僅存在只讀狀態），那麼這些執行緒是可以並行（Parallel）的。這不僅有利於提高系統的併發性，也使得程式碼更為簡單。函式也是類似，既然函式是（必須是）無狀態的，那麼多個執行緒同時執行一個函式的時候也就無需加鎖，這既簡化了程式碼又有利於提供系統的併發性。
4.
作者簡介
黃文海，著有《Java多執行緒程式設計實戰指南（核心篇）》、《Java多執行緒程式設計實戰指南（設計模式篇）》。
5.
參考資料
1．Raoul-Gabriel Urma等。Java 8實戰。人民郵電出版社，2016
2．黃文海。Java多執行緒程式設計實戰指南（核心篇）。電子工業出版社，2017
3．黃文海。Java多執行緒程式設計實戰指南（設計模式篇）。電子工業出版社，2015
