Java 8怎麼了之二：函式和原語

【編者按】本文作者為專注於自然語言處理多年的 Pierre-Yves Saumont，Pierre-Yves 著有30多本主講 Java 軟體開發的書籍，自2008開始供職於 Alcatel-Lucent 公司，擔任軟體研發工程師。

本文主要介紹了 Java 8 中的函式與原語，由國內 ITOM 管理平臺 OneAPM 編譯呈現。

Tony Hoare 把空引用的發明稱為“億萬美元的錯誤”。也許在 Java 中使用原語可以被稱為“百萬美元的錯誤”。創造原語的原因只有一個：效能。原語與物件語言毫無關係。引入自動裝箱和拆箱是件好事，不過還有很多有待發展。可能以後會實現（據說已經列入 Java 10的發展藍圖）。與此同時，我們需要對付原語，這可是個麻煩，尤其是在使用函式的時候。

Java 5/6/7的函式

在 Java 8之前，使用者可以建立下面這樣的函式：

public interface Function<T, U> {   
   U apply(T t); 
   }  
Function<Integer, Integer> addTax = new Function<Integer, Integer>() {  
 @Override   
 public Integer apply(Integer x) {    
 return x / 100 * (100 + 10);   } 
  }; 
 System.out.println(addTax.apply(100));

這些程式碼會產生以下結果：

110

Java 8 帶來了 Function<T, U>介面和 lambda 語法。我們不再需要界定自己的功能介面, 而且可以使用下面這樣的語法：

Function<Integer, Integer> addTax = x -> x / 100 * (100 + 10);  
System.out.println(addTax.apply(100));

注意在第一個例子中，筆者用了一個匿名類檔案來建立一個命名函式。在第二個例子中，使用 lambda 語法對結果並沒有任何影響。依然存在匿名類檔案, 和一個命名函式。

一個有意思的問題是：“x 是什麼型別？”第一個例子中的型別很明顯。可以根據函式型別推斷出來。Java 知道函式引數型別是 Integer，因為函式型別明顯是 Function<Integer, Integer>。第一個 Integer 是引數的型別，第二個 Integer 是返回型別。

裝箱被自動用於按照需要將 int 和 Integer 來回轉換。下文會詳談這一點。

可以使用匿名函式嗎？可以，不過型別就會有問題。這樣行不通：

System.out.println((x -> x / 100 * (100 + 10)).apply(100));

這意味著我們無法用識別符號的值來替代識別符號 addTax 本身（ addTax 函式)。在本案例中，需要恢復現在缺失的型別資訊，因為 Java 8 無法推斷型別。

最明顯缺乏型別的就是識別符號 x。可以做以下嘗試：

System.out.println((Integer x) -> x / 100 * 100 + 10).apply(100));

畢竟在第一個例子中，本可以這樣寫：

Function<Integer, Integer> addTax = (Integer x) -> x / 100 * 100 + 10;

這樣應該足夠讓 Java 推測型別，但是卻沒有成功。需要做的是明確函式的型別。明確函式引數的型別並不夠，即使已經明確了返回型別。這麼做還有一個很嚴肅的原因：Java 8對函式一無所知。可以說函式就是普通物件加上普通方法，僅此而已。因此需要像下面這樣明確型別：

System.out.println(((Function<Integer, Integer>) x -> x / 100 * 100 + 10).apply(100));

否則，就會被解讀為：

System.out.println(((Whatever<Integer, Integer>) x -> x / 100 * 100 + 10).whatever(100));

因此 lambda 只是在語法上起到簡化匿名類在 Function（或 Whatever）介面執行的作用。它實際上跟函式毫不相關。

假設 Java 只有 apply 方法的 Function 介面，這就不是個大問題。但是原語怎麼辦呢？如果 Java 只是物件語言，Function 介面就沒關係。可是它不是。它只是模糊地物件導向的使用（因此被稱為物件導向）。Java 中最重要的類別是原語，而原語與物件導向程式設計融合得並不好。

Java 5 中引入了自動裝箱，來協助解決這個問題，但是自動裝箱對效能產生了嚴重限制，這還關係到 Java 如何求值。Java 是一種嚴格的語言，遵循立即求值規則。結果就是每次有原語需要物件，都必須將原語裝箱。每次有物件需要原語，都必須將物件拆箱。如果依賴自動裝箱和拆箱，可能會產生多次裝箱和拆箱的大量開銷。

其他語言解決這個問題的方法有所不同，只允許物件，在後臺解決了轉化問題。他們可能會有“值類”，也就是受到原語支援的物件。在這種功能下，程式設計師只使用物件，編譯器只使用原語（描述過於簡化，不過反映了基本原則）。Java 允許程式設計師直接控制原語，這就增大了問題難度，帶來了更多安全隱患，因為程式設計師被鼓勵將原語用作業務型別，這在物件導向程式設計或函式式程式設計中都沒有意義。（筆者將在另一篇文章中再談這個問題。）

不客氣地說，我們不應該擔心裝箱和拆箱的開銷。如果帶有這種特性的 Java 程式執行過慢，這種程式語言就應該進行修復。我們不應該試圖用糟糕的程式設計技巧來解決語言本身的不足。使用原語會讓這種語言與我們作對，而不是為我們所用。如果問題不能通過修復語言來解決，那我們就應該換一種程式語言。不過也許不能這樣做，原因有很多，其中最重要的一條是隻有 Java 付錢讓我們程式設計，其他語言都沒有。結果就是我們不是在解決業務問題，而是在解決 Java 的問題。使用原語正是 Java 的問題，而且問題還不小。

現在不用物件，用原語來重寫例子。選取的函式採用型別 Integer 的引數，返回 Integer。要取代這些，Java 有 IntUnaryOperator 型別。哇哦，這裡不對勁兒！你猜怎麼著，定義如下：

public interface IntUnaryOperator {  
 int applyAsInt(int operand);  
  ...
   }

這個問題太簡單，不值得調出方法 apply。

因此，使用原語重寫例子如下：

IntUnaryOperator addTax = x -> x / 100 * (100 + 10); 
System.out.println(addTax.applyAsInt(100));

或者採用匿名函式：

System.out.println(((IntUnaryOperator) x -> x / 100 * (100 + 10)).applyAsInt(100));

如果只是為了 int 返回 int 的函式，很容易實現。不過實際問題要更加複雜。Java 8 的 java.util.function 包中有43種（功能）介面。實際上，它們不全都代表功能，可以分類如下：

• 21個帶有一個引數的函式，其中2個為物件返回物件的函式，19個為各種型別的物件到原語或原語到物件函式。2個物件到物件函式中的1個用於引數和返回值屬於相同型別的特殊情況。
• 9個帶有2個引數的函式，其中2個為（物件，物件）到物件，7個為各種型別的（物件，物件）到原語或（原語，原語）到原語。
• 7個為效果，非函式，因為它們並不返回任何值，而且只被用於獲取副作用。（把這些稱為“功能介面”有些奇怪。）
• 5個為“供應商”，意思就是這些函式不帶引數，卻會返回值。這些可以是函式。在函式世界裡，有些特殊函式被稱為無參函式（表明它們的元數或函式總量為0）。作為函式，它們返回的值可能永遠不變，因此它們允許將常量當做函式。在 Java 8，它們的職責是根據可變語境來返回各種值。因此，它們不是函式。

真是太亂了！而且這些介面的方法有不同的名字。物件函式有個方法叫 apply，返回數字化原語的方法被稱為 applyAsInt、applyAsLong，或 applyAsDouble。返回 boolean 的函式有個方法被稱為 test，供應商的方法叫做 get 或 getAsInt、getAsLong、 getAsDouble，或 getAsBoolean。（他們沒敢把帶有 test 方法、不帶函式的 BooleanSupplier 稱為“謂語”。筆者真的很好奇為什麼！）

值得注意的一點，是並沒有對應 byte、 char、 short 和 float 的函式，也沒有對應兩個以上元數的函式。

不用說，這樣真是太荒謬了，然而我們又不得不堅持下去。只要 Java 能推斷型別，我們就會覺得一切順利。然而，一旦試圖通過功能方式控制函式，你將會很快面對 Java 無法推斷型別的難題。最糟糕的是，有時候 Java 能夠推斷型別，卻會保持沉默，繼續使用另外一個型別，而不是我們想用的那一個。

如何發現正確型別

假設筆者想使用三個引數的函式。由於 Java 8沒有現成可用的功能介面，筆者只有一個選擇：建立自己的功能介面，或者如前文（Java 8 怎麼了之一）中所說，採取柯里化。建立三個物件引數、並返回物件的功能介面直截了當：

interface Function<T, U, V, R> {  
 R apply(T, t, U, u, V, v); 
 }

不過，可能出現兩種問題。第一種，可能需要處理原語。引數型別也幫不上忙。你可以建立函式的特殊形式，使用原語，而不是物件。最後，算上8類原語、3個引數和1個返回值，只不過得到6561中該函式的不同版本。你以為甲骨文公司為什麼沒有在 Java 8中包含 TriFunction？（準確來說，他們只放了有限數量的 BiFunction，引數為 Object，返回型別為 int、long或double，或者引數和返回型別同為 int、long 或 Object，產生729種可能性中的9種結果。）

更好的解決辦法是使用拆箱。只需要使用 Integer、Long、Boolean 等等，接下來就讓 Java 去處理。任何其他行動都會成為萬惡之源，例如過早優化（詳見 http://c2.com/cgi/wiki?PrematureOptimization）。

另外一個辦法（除了建立三個引數的功能介面之外）就是採取柯里化。如果引數不在同一時間求值，就會強制柯里化。而且它還允許只用一種引數的函式，將可能的函式數量限制在81之內。如果只使用 boolean、int、long 和double，這個數字就會降到25（4個原語型別加上兩個位置的 Object 相當於5 x 5）。

問題在於在對返回原語，或將原語作為引數的函式來說，使用柯里化可能有些困難。以下是前文（Java 8怎麼了之一）中使用的同一例子，不過現在用了原語：

IntFunction<IntFunction<IntUnaryOperator>> 
   intToIntCalculation = x -> y -> z -> x + y * z;  
   private IntStream calculate(IntStream stream, int a) {   
      return stream.map(intToIntCalculation.apply(b).apply(a)); 
      }  

    IntStream stream = IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5); 
    IntStream newStream = calculate(stream, 3);

注意結果不是“包含值5、8、11、14和17的流”，一開始的流也不會包含值1、2、3、4和5。newStream 在這個階段並沒有求值，因此不包含值。（下篇文章將討論這個問題）。

為了檢視結果，就要對這個流求值，也許通過繫結一個終端操作來強制執行。可以通過呼叫 collect 方法。不過在這個操作之前，筆者要利用 boxed 方法將結果與一個非終端函式繫結在一起。boxed 方法將流與一個能夠把原語轉為對應物件的函式繫結在一起。這可以簡化求值過程：

System.out.println(newStream.boxed().collect(toList()));

這顯示為：

[5,8, 11, 14, 17]

也可以使用匿名函式。不過，Java 不能推斷型別，所以筆者必須提供協助：

private IntStream calculate(IntStream stream, int a) {   
  return stream.map(((IntFunction<IntFunction<IntUnaryOperator>>) x -> y -> z -> x + y * z).apply(b).apply(a)); 
  }  

  IntStream stream = IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5); 
  IntStream newStream = calculate(stream, 3);

柯里化本身很簡單，只要別忘了筆者在其他文章中提到過的一點：

(x, y, z) -> w

解讀為：

x -> y -> z -> w

尋找正確型別稍微複雜一些。要記住，每次使用一個引數，都會返回一個函式，因此你需要一個從引數型別到物件型別的函式（因為函式就是物件）。在本例中，每個引數型別都是 int，因此需要使用經過返回函式型別引數化的 IntFunction。由於最終型別為 IntUnaryOperator（這是 IntStream 類的 map 方法的要求），結果如下：

IntFunction<IntFunction<...<IntUnaryOperator>>>

筆者採用了三個引數中的兩種，所有引數型別都是 int ，因此型別如下：

IntFunction<IntFunction<IntUnaryOperator>>

可以與使用自動裝箱版本進行比較：

Function<Integer, Function<Integer, Function<Integer, Integer>>>

如果你無法決定正確型別，可以從使用自動裝箱開始，只要替換上你需要的最終型別（因為它就是 map 引數的型別）：

Function<Integer, Function<Integer, IntUnaryOperator>>

注意，你可能正好在你的程式中使用了這種型別：

private IntStream calculate(IntStream stream, int a) {   
    return stream.map(((Function<Integer, Function<Integer, IntUnaryOperator>>) x -> y -> z -> x + y * z).apply(b).apply(a)); 
    }  

    IntStream stream = IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5); 
    IntStream newStream = calculate(stream, 3);

接下來可以用你使用的原語版本來替換每個 Function<Integer...，如下所示：

private IntStream calculate(IntStream stream, int a) {   
   return stream.map(((Function<Integer, IntFunction<IntUnaryOperator>>) x -> y -> z -> x + y * z).apply(b).apply(a)); }

然後是：

private IntStream calculate(IntStream stream, int a) {   return stream.map(((IntFunction<IntFunction<IntUnaryOperator>>) x -> y -> z -> x + y * z).apply(b).apply(a)); }

注意，三個版本都可編譯執行，唯一的區別在於是否使用了自動裝箱。

何時匿名 在以上例子中可見，lambdas 很擅長簡化匿名類的建立，但是不給建立的範例命名實在沒有理由。命名函式的用處包括：

• 函式複用
• 函式測試
• 函式替換
• 程式維護
• 程式文件管理

命名函式加上柯里化能夠讓函式完全獨立於環境（“引用透明性”），讓程式更安全、更模組化。不過這也存在難度。使用原語增加了辨別柯里化函式類別的難度。更糟糕的是，原語並不是可使用的正確業務型別，因此編譯器也幫不上忙。具體原因請看以下例子：

double tax = 10.24; 
double limit = 500.0; 
double delivery = 35.50; 
DoubleStream stream3 = DoubleStream.of(234.23, 567.45, 344.12, 765.00); 
DoubleStream stream4 = stream3.map(x -> {   
    double total = x / 100 * (100 + tax);   
      if ( total > limit) {     
        total = total + delivery;   
        }   
        return total; 
    });

要用命名的柯里化函式來替代匿名“捕捉”函式，確定正確型別並不難。有4個引數，返回 DoubleUnaryOperator，那麼型別應該是 DoubleFunction<DoubleFunction<DoubleFunction<DoubleUnaryOperator>>>。不過，很容易錯放引數位置：

DoubleFunction<DoubleFunction<DoubleFunction<DoubleUnaryOperator>>> computeTotal = x -> y -> z -> w -> {   
    double total = w / 100 * (100 + x);   
    if (total > y) {     
      total = total + z;   
      }   
      return total; 
    };  
    DoubleStream stream2 = stream.map(computeTotal.apply(tax).apply(limit).apply(delivery));

你怎麼確定 x、y、z 和 w 是什麼？實際上有個簡單的規則：通過直接使用方法求值的引數在第一位，按照使用方法的順序，例如，tax、limit、delivery 對應的就是 x、y 和 z。來自流的引數最後使用，因此它對應的是 w。

不過還存在一個問題：如果函式通過測試，我們知道它是正確的，但是沒有辦法確保它被正確使用。舉個例子，如果我們使用引數的順序不對：

DoubleStream stream2 = stream.map(computeTotal.apply(limit).apply(tax).apply(delivery));

就會得到：

[1440.8799999999999, 3440.2000000000003, 2100.2200000000003, 4625.5]

而不是：

[258.215152, 661.05688, 379.357888, 878.836]

這就意味著不僅需要測試函式，還要測試它的每次使用。如果能夠確保使用順序不對的引數不會被編譯，豈不是很好？

這就是使用正確型別體系的所有內容。將原語用於業務型別並不好，從來就沒有好結果。但是現在有了函式，就更多了一條不要這麼做的理由。這個問題將在其他文章中詳細討論。

敬請期待

本文介紹了使用原語大概比使用物件更為複雜。在 Java 8中使用原語的函式一團糟,不過還有更糟糕的。在下一篇文章中，筆者將談論在流中使用原語。

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本文轉自 OneAPM 官方部落格

原文地址： https://dzone.com/articles/whats-wrong-java-8-part-ii