Java 8 习惯用语，第 2 部分: 函数组合与集合管道模式

Java 8 习惯用语，第 2 部分

函数组合与集合管道模式

迭代 Java 中集合的函数模式

Venkat Subramaniam

2017 年 5 月 31 日发布

在开始采用函数式编程风格时，您的程序中会自然而然地出现一些函数设计模式，但您仍需要努力掌握它们。本文将介绍函数组合和集合管道，您可以结合使用这两种函数式模式来迭代代码中的集合。了解这些模式的结构有助于您搭建自己的 Java™ 程序，从而充分利用高阶函数和拉姆达表达式。

语句与表达式

如果在代码库中快速查找 for ，您可能会惊奇地发现，您的代码中对 for 循环的使用非常频繁。我将这种情形称为 for 重复(hammer) ：只要我们需要循环，似乎就会用到 for 。

在 Java 中， for 和 while 都是语句。 语句 执行一个操作，但不会生成任何结果。就本质而言，任何执行有用的操作的语句都会导致数据变化。这是语句表达其效果的唯一方式。而 表达式 则相反：它们可以得出结果而不会导致变化。

在代码中使用语句就像是合作处理一部分工作，但无法在团队成员之间直接转交工作结果。分享结果的唯一方法是将它放在桌面上或架子上，让另一位团队成员可以获得它。表达式的工作更像一条链：当某个人完成一项任务时，他将结果转交给链中的下一个人。

表达式帮助实现了集合管道模式，Martin Fowler 将该模式描述为 运算序列 ，会将从一次运算收集的输出提供给下一次运算。尽管面向对象的编程中使用了集合管道模式（您可能在使用对象构建器的代码中看到过它），但它在函数编程中更常见。

函数组合和集合管道模式是两种可协同工作的模式。下一节将使用熟悉的 for 语句解决一个问题。然后将介绍如何使用这两种模式更高效地解决同一个问题。

使用语句进行迭代和排序

首先创建一个 Car 类，它包含属性 make、model 和 year：

清单 1. 一个 Car 类

package agiledeveloper;

public class Car {
  private String make;
  private String model;
  private int year;
  
  public Car(String theMake, String theModel, int yearOfMake) {
    make = theMake;
    model = theModel;
    year = yearOfMake;
  }                   
  
  public String getMake() { return make; }
  public String getModel() { return model; }
  public int getYear() { return year; }
}

我们可以添加一个 Car 实例集合，比如：

清单 2. 一个 Car 实例集合

package agiledeveloper;

import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.Arrays;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import static java.util.Comparator.comparing;
import static java.util.stream.Collectors.toList;

public class Iterating {
  public static List<Car> createCars() {
    return Arrays.asList(
      new Car("Jeep", "Wrangler", 2011),
      new Car("Jeep", "Comanche", 1990),
      new Car("Dodge", "Avenger", 2010),
      new Car("Buick", "Cascada", 2016),
      new Car("Ford", "Focus", 2012),
      new Car("Chevrolet", "Geo Metro", 1992)
    );
  }

在清单 3 中，我们使用命令式编程来迭代该列表，并获取 2000 年后制造的汽车的名称。然后按年份对这些型号进行升序排序。

清单 3. 使用 ‘for’ 按年份对各种型号进行排序

public static List<String> getModelsAfter2000UsingFor(List<Car> cars) {
    List<Car> carsSortedByYear = new ArrayList<>();

    for(Car car : cars) {
      if(car.getYear() > 2000) {
        carsSortedByYear.add(car);
      }
    }
    
    Collections.sort(carsSortedByYear, new Comparator<Car>() {
      public int compare(Car car1, Car car2) {
        return new Integer(car1.getYear()).compareTo(car2.getYear());
      }
    });
    
    List<String> models = new ArrayList<>();
    for(Car car : carsSortedByYear) {
      models.add(car.getModel());
    }
    
    return models;
  }

如您所见，此代码中有许多循环。首先， getModelsAfter2000UsingFor 方法接受一个汽车列表作为参数。它提取或过滤出 2000 年后制造的汽车，将它们放在一个名为 carsSortedByYear 的新列表中。接下来，按照制造年份对该列表进行升序排序。最后，循环处理列表 carsSortedByYear ，以获取型号名称，并在一个列表中返回它们。

能否提高这段代码的效率？我们可以通过一次性对所有汽车 排序 来消除一个 for 循环，但随后需要对一个更大的对象列表进行排序。

这是汽车列表示例的输出：

清单 4. getModelsAfter2000UsingFor 的输出

Avenger, Wrangler, Focus, Cascada

这个排序示例演示了我所称的 语句的效果 。尽管函数和方法通常可用作表达式，但 Collections sort 方法没有返回结果。因为它被用作语句，所以它改变了作为参数提供的列表。两个 for 循环在迭代时都改变了相应的列表。作为语句，这是这些元素的工作方式。因此，该代码包含不必要的垃圾变量，如图 1 所示。

图 1. 语句的效果

使用集合管道进行迭代和排序

在函数编程中，通常会通过一系列更小的模块化函数或运算来对复杂运算进行排序。该系列被称为 函数组合 （composition of functions, or a function composition）。当一个数据集合流经一个函数组合时，它就变成一个集合管道。函数组合和集合管道是函数式编程中常用的两种设计模式。

无需使用一个很大的 for 重复（ hammer ），依据手头的问题，我们能使用多种专业工具。无需像命令式编程中常见的那样对所有运算都使用语句，函数式编程鼓励使用表达式。表达式没有语句所拥有的改变对象的副作用。像 filter 或 map 这样的表达式也返回一个结果，我们可以将它传递给另一个函数，我们就是通过这种方式创建集合管道的。考虑清单 5 中的代码。

清单 5. 集合管道模式中的函数组合

public static List<String> getModelsAfter2000UsingPipeline(
    List<Car> cars) {
    return 
      cars.stream()
          .filter(car -> car.getYear() > 2000)
          .sorted(Comparator.comparing(Car::getYear))
          .map(Car::getModel)
          .collect(toList());
  }

方法 getModelsAfter2000UsingPipeline 生成的结果与中的方法 getModelsAfter2000UsingFor 相同，但要注意代码中的不同之处：

• 函数式代码比命令式代码更简洁。
• 函数式代码不会表现出明显的易变性，而且使用了更少的垃圾变量。
• 第二个方法中使用的函数/方法都是有返回值的表达式。将此方法与中的 Collections.sort 方法进行对比。
• getModelsAfter2000UsingPipeline 使用了集合管道模式，而且非常富于表达。

只用了短短几行代码，代码的意图就很明显 — 给定一个汽车集合，过滤或提取仅在 2000 年或以后制造的汽车；然后按年份进行排序，将这些对象映射或转换为它们的型号，最后将结果收集到一个列表中。

中的代码如此简洁且富于表达，部分原因是使用了方法引用。将一个拉姆达表达式传递给 filter 很有用，因为它可以获取给定对象的 year 属性并将其与 year 2000 进行比较。但是，将拉姆达表达式传递给 map 就没有这么有效。传递给 map 方法的表达式为 car -> car.getModel() ，该表达式非常繁琐。该拉姆达表达式仅返回给定对象的某个属性，不执行任何实际计算或运算。我们最好将它替换为一个方法引用。

我们将方法引用 Car::getModel 传递给 map 方法，而不传递拉姆达表达式。类似地，我们将方法引用 Car::getYear 传递给 comparing 方法，而不传递拉姆达表达式 car -> car.getYear() 。方法引用简短、简洁且富于表达。最好尽可能地使用它们。

图 2 给出了清单 5 中的集合管道。

图 2. 集合管道的魅力

查看图 2，可以看到 getModelsAfter2000UsingPipeline 函数如何执行集合管道，通过一系列函数转换给定输入。随着数据流经各个函数，Java 8 的惰性计算和函数融合功能（参阅 2014 年的 Java 中的函数编程 ）可帮助避免在某些情况下创建中间对象。数据在管道中传输时，函数不会使中间对象变得可见或可用。

结束语

在命令式编程中，对于大部分数据处理，通常都会使用 for 和 while 循环。在本文中，您了解了一种在函数式编程中非常流行的替代方法。函数组合是一项简单技术，有助于对模块化函数进行排序，从而创建更复杂的运算。按该序列处理数据时，您就有了一个集合管道。结合使用函数组合和集合管道模式，可以创建复杂的程序，让数据从上游流到下游，并经历一系列转换。