Java 8 习惯用语（11）：函数纯度

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函数管道和 Stream API

我们使用 Stream 在 Java? 中构建函数管道。在函数式代码中使用 Stream 有 3 个好处：

• Stream 简洁、富于表达、非常优雅，而且代码读起来就像是问题陈述。
• Stream 采用了惰性计算，这使得它在您的程序中非常高效。
• 它可以并行使用。

在本系列中，您已详细了解了优雅和简洁的代码的好处。在本文中，我们将重点介绍其他两个好处。效率是您在使用函数管道时寻求的主要好处之一，所以我们首先从这里开始介绍。

惰性计算

下面的命令式代码非常高效：它仅执行绝对必要的工作。

List<Integer> numbers = Arrays.asList(2, 5, 8, 15, 12, 19, 50, 23);
  Integer result = null;for(int e : numbers) {
 if(e > 10 && e % 2 == 0) {
 result = e * 2;
 break;
 }}
 if(result != null)
 System.out.println("The value is " + result);else
 System.out.println("No value found");

该代码迭代 numbers 集合中的元素，但仅迭代至找到满足它的两个要求（大于 10 且是偶数）的元素。找到第一个数字后，就不会再处理其他值。

现在让我们使用函数管道重写上述代码：

List<Integer> numbers = Arrays.asList(2, 5, 8, 15, 12, 19, 50, 23);System.out.println(
 numbers.stream()
 .filter(e -> e > 10)
 .filter(e -> e % 2 == 0)
 .map(e -> e * 2)
 .findFirst()
 .map(e -> "The value is " + e)
 .orElse("No value found"));

这个函数式版本生成的结果与命令式版本相同。在给出的示例中，命令式版本不会处理任何超过 12 的值，函数版本也是如此。不同之处在于代码处理给定变量的方式。

流处理

Java Stream 基本上是惰性的，就像我十几岁的孩子一样。下面是我家里的一个场景，可能有助于您理解流的行为。

我的妻子对儿子说：“关掉电视”。

跟没说一样。

妻子说：“把垃圾倒掉”。

没有任何动作。

她再说：“做你的家庭作业”。

铅笔没被拿起过。

妻子说：“我要叫你爸爸了。”

孩子马上行动起来，按下电视遥控器上的关闭按钮……

像十几岁的孩子一样，Stream 只有两种方法：中间和最终。根据家中每位家长扮演的角色，后一个方法等效于 callDaddy() 或 callMommy() 方法。

Stream 累积并组合或融合中间操作，然后执行它们。但是像十几岁的孩子一样，它仅执行满足最终操作所必需的工作。因为中间操作被融合，所以流对管道中数据的处理方式存在一个重要区别：Stream 不会像命令式代码一样执行数据集合上的每个函数，而是执行每个元素上的函数的融合集合，但仅在需要时执行。

为了验证此行为，我们可以稍微更改一下最初的函数式代码：

List<Integer> numbers = Arrays.asList(2, 5, 8, 15, 12, 19, 50, 23);System.out.println(
 numbers.stream()
 .peek(e -> System.out.println("processing " + e))
 .filter(e -> e > 10)
 .filter(e -> e % 2 == 0)
 .map(e -> e * 2)
 .findFirst()
 .map(e -> "The value is " + e)
 .orElse("No value found"));

在这里，我们在函数管道中的第一个 filter 的前面添加了对 peek 的调用。peek 方法对调试很有用，使我们能在执行期间留意到Stream。这是新代码的输出：

processing 2processing 5processing 8processing 15processing 12The value is 24

该代码处理了直到 12（包含 12）的所有值，但它没有触及超过目标值的任何值。这是因为最终操作 findFirst 会触发流处理的终止。此外，两个 filter 和 map 调用中的操作融合在一起，然后在序列中的每个元素上执行计算。超过 findFirst 中的内部终止信号后，就不会再计算元素。

在本例中，惰性显然提高了效率，因为函数管道只执行必要的工作。它是效率与优雅结合的典范。

并行化

在您有一个大型集合或者需要执行消耗大量时间的任务的情况下，并行化可能非常有用。下面的代码将模拟一个耗时的操作。

import java.util.*;
 class Sample {
 public static int simulateTimeConsumingComputation(int number) {
 try { Thread.sleep(1000); } catch(Exception ex) {}
 return number * 2;
 } 
  
 public static void main(String[] args) { 
 List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10);
  
 numbers.stream()
 .map(Sample::simulateTimeConsumingComputation)
 .forEachOrdered(System.out::println);
 }}

如果正常运行此代码，您会发现所用时间约为 10 秒。这太长了。 我们可以使用一个并行流来提高速度，如下所示：

...
 numbers.stream()
 .parallel()
 .map(Sample::simulateTimeConsumingComputation)...

并行流使执行速度变得快得多。新代码在 16 核处理器上运行所用的时间约为 1 秒，在 8 核处理器上所用时间约为 2 秒。这是因为在默认情况下，并行流使用了与系统上的核心数一样多的线程。

您还会注意到，并行化此代码只需相对较少的工作。按顺序执行的函数管道的结构与并行运行的函数管道没什么不同，这使得函数管道非常容易并行化。

函数纯度的规则

目前您可能很喜欢这些技术给您的印象：惰性能提高效率，并行化的编写与顺序处理一样容易 — 使用它们吧！但是有一个陷阱：这些技术的成功取决于代码的纯度。您的函数管道中的所有 lambda 表达式和闭包都必须是纯的。

在继续后面的学习之前，您应该了解纯函数的一些知识。首先，纯函数是幂等的— 这意味着对纯函数的调用次数没有限制。其次，无论调用纯函数多少次，只要给定相同的输入，它都会产生相同的结果。第三，纯函数没有副作用：无论您使用它做什么，纯函数都不会更改您的程序中的其他任何元素。

如果您想编写纯函数，请记住，最后这个特征最为重要。实质上，函数纯度有两个规则：

• 函数不会更改任何元素。
• 函数不依赖于任何可能更改的元素。

纯函数绝不会在执行期间引起更改或发生更改。

为什么函数纯度至关重要

惰性计算意味着一个函数可以在现在或以后计算，或者可以完全跳过计算。无论采用何种方式，只要得到想要的结果就行。但是，如果函数有副作用，惰性计算就不会生效。下一个示例将展示在函数管道包含不纯函数时会发生什么。

List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3);
  int[] factor = new int[] { 2 };Stream<Integer> stream = numbers.stream()
 .map(e -> e * factor[0]);
 factor[0] = 0;
 stream.forEach(System.out::println);

Java 假设提供给操作的 lambda 表达式和闭包是纯的。如果您的代码不满足这一要求，您将承担相应的后果。

为了增添乐趣，可以询问一些同事他们预计此代码的输出是什么。您不可能获得一致的回答。更可能的情况是，您会看到许多人感到困惑和不确定。

在这个示例中，传递给 map 的闭包是不纯的。它违背了纯度的第二个规则，因为该闭包依赖的变量可能发生改变（而且事实上它确实发生了改变）。由于惰性计算，作为参数传递给 map 的闭包只在调用 forEach 后才会计算。

因为 factor[0] 是可变的，从创建闭包到最终计算它的过程中，该值可以是任何值。这个可变变量让代码变得很难理解。很难理解的代码也就很难维护，而且这通常是出现错误的一个原因。

并行流也是如此：如果传递给操作的状态不纯，结果将是不可预测的。

避免共享可变性

传递给操作的 lambda 表达式和闭包应该是纯的。它们不应修改任何外部状态，也不应依赖于任何可变的外部状态。

开发人员常常询问他们是否应完全避免可变性。答案很简单：不要使用可变性。相反，应避免共享可变性。在中间和最终操作中，如果修改了一个共享可变变量，代码会变得难以推断。共享可变性还使得通过并行和/或惰性计算无法获得正确的结果。您可以选择不使用并行化，但您无法控制惰性计算，因为它是流的一种隐式行为。

尽管共享可变性会花费一些成本，但您可以通过小心地改变隔离变量来获得不错的结果，隔离变量是严格禁止被多个线程共享的变量。在处理的数据量非常大时，改变隔离变量可以提高性能。在一个处理包含数百万个对象的集合的最新项目中，我的团队使用了隔离可变性将性能提高到对数据负载合理的水平。这样做能够奏效是因为我们仔细验证了该项目中不存在共享可变性。我们还验证了我们的结果不仅快，而且正确。

对于小型或中等规模的集合，或者您无需可变性就能实现合理性能的情况，最明智的做法是避免 lambda 表达式和闭包中的可变性。如果您在其中一个元素中采用了可变性，请确保您正在改变一个隔离变量，而且永远不要改变共享变量。从函数管道的开始到结束，闭包所依赖的状态绝不应被多个线程修改。

结束语

惰性计算和轻松的并行执行是使用函数管道的两个重要好处。两个特性都取决于函数纯度，这意味着 lambda 表达式和闭包不得在您的程序中产生任何副作用。在本文中，您了解了这个规则和它存在的原因，还探索了可以安全改变隔离变量的一个例外情况。

理解函数纯度很重要，因为如果您违背了 lambda 表达式和闭包中的纯度要求，Java 不会产生错误，甚至不会生成警告。所以您需要验证您的 lambda 表达式不依赖于共享可变状态，而且执行的结果既高效又正确。

原作者：Venkat Subramaniam  
原文链接：Java 8 习惯用语
原出处： IBM Developer

内容总结

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