關(guān)于“Java 8為Java帶來(lái)了函數(shù)式編程”已經(jīng)有了很多討論，但這句話的真正意義是什么？

本文將討論函數(shù)式，它對(duì)一種語(yǔ)言或編程方式意味著什么。在回答“Java 8的函數(shù)式編程怎么樣”之前，我們先看看Java的演變，特別是它的類型系統(tǒng)，我們將看到Java 8的新特性，特別是Lambda表達(dá)式如何改變Java的風(fēng)景，并提供函數(shù)式編程風(fēng)格的主要優(yōu)勢(shì)。

函數(shù)式編程語(yǔ)言是什么？

函數(shù)式編程語(yǔ)言的核心是它以處理數(shù)據(jù)的方式處理代碼。這意味著函數(shù)應(yīng)該是第一等級(jí)（First-class）的值，并且能夠被賦值給變量，傳遞給函數(shù)等等。

事實(shí)上，很多函數(shù)式語(yǔ)言比這走得更遠(yuǎn)，將計(jì)算和算法看得比它們操作的數(shù)據(jù)更重要。其中有些語(yǔ)言想分離程序狀態(tài)和函數(shù)（以一種看起來(lái)有點(diǎn)對(duì)立的方式，使用面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，這通常會(huì)將它們聯(lián)系得更緊密）。

Clojure編程語(yǔ)言就是一個(gè)這樣的例子，盡管它運(yùn)行于基于類的Java虛擬機(jī)，Clojure的本質(zhì)是函數(shù)式語(yǔ)言，并且在高級(jí)語(yǔ)言源程序中不直接公布類和對(duì)象（盡管提供了與Java良好的互操作性）。

下面顯示的是一個(gè)Clojure函數(shù)，用于處理日志，是一等公民（First-class citizen），并且不需要綁定一個(gè)類而存在。

(defn build-map-http-entries [log-file] (group-by :uri (scan-log-for-http-entries log-file)))

當(dāng)寫(xiě)在函數(shù)中的程序，對(duì)給定的輸入（不論程序中的其它狀態(tài)如何）總是返回相同的輸出，并且不會(huì)產(chǎn)生其它影響，或者改變?nèi)魏纬绦驙顟B(tài)，這時(shí)候函數(shù)式編程是最有用的。它們的行為與數(shù)學(xué)函數(shù)相同，有時(shí)候把遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)稱為“純”函數(shù)。

純函數(shù)的巨大好處是它們更容易推論，因?yàn)樗鼈兊牟僮鞑灰蕾囉谕獠繝顟B(tài)。函數(shù)能夠很容易地結(jié)合在一起，這在開(kāi)發(fā)者工作流風(fēng)格中很常見(jiàn)，例如Lisp方言和其它具有強(qiáng)函數(shù)傳統(tǒng)的語(yǔ)言中很普遍的REPL(Read, Execute, Print, Loop)風(fēng)格。

非函數(shù)式編程語(yǔ)言中的函數(shù)式編程

一種語(yǔ)言是不是函數(shù)式并不是非此即彼的狀態(tài)，實(shí)際上，語(yǔ)言存在于圖譜上。在最末端，基本上是強(qiáng)制函數(shù)式編程，通常禁止可變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Clojure就是一種不接受可變數(shù)據(jù)的語(yǔ)言。

不過(guò)，也有一些其它語(yǔ)言，通常以函數(shù)方式編程，但語(yǔ)言并不強(qiáng)制這一點(diǎn)。Scala就是一個(gè)例子，它混和了面向?qū)ο蠛秃瘮?shù)式語(yǔ)言。允許函數(shù)作為值，例如：

val sqFn = (x: Int) => x * x

同時(shí)保留與Java非常接近的類和對(duì)象語(yǔ)法。

另一個(gè)極端，當(dāng)然，使用完全非函數(shù)式語(yǔ)言進(jìn)行函數(shù)式編程是可能的，例如C語(yǔ)言，只要維持好合適的程序員準(zhǔn)則和慣例。

考慮到這一點(diǎn)，函數(shù)式編程應(yīng)該被看作是有兩個(gè)因素的函數(shù)，其中一個(gè)與編程語(yǔ)言相關(guān)，另一個(gè)是用該語(yǔ)言編寫(xiě)的程序：

1）底層編程語(yǔ)言在多大程度上支持，或者強(qiáng)制函數(shù)式編程？

2）這個(gè)特定的程序如何使用語(yǔ)言提供的函數(shù)式特性？它是否避免了非函數(shù)式特性，例如可變狀態(tài)？

Java的一些歷史

Java是一種固執(zhí)己見(jiàn)的語(yǔ)言，它具有很好的可讀性，初級(jí)程序員很容易上手，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可支持性。但這些設(shè)計(jì)決定也付出了一定的代價(jià)：冗長(zhǎng)的代碼，類型系統(tǒng)與其它語(yǔ)言相比顯得缺乏彈性。

然而，Java的類型系統(tǒng)已經(jīng)在演化，雖然在語(yǔ)言的歷史當(dāng)中相對(duì)比較慢。我們來(lái)看看這些年來(lái)它的一些形式。

Java最初的類型系統(tǒng)

Java最初的類型系統(tǒng)至今已經(jīng)超過(guò)15年了。它簡(jiǎn)單而清晰，類型包括引用類型和基本類型。類、接口或者數(shù)組屬于引用類型。

類是Java平臺(tái)的核心，類是Java平臺(tái)將會(huì)加載、或鏈接的功能的基本單位，所有要執(zhí)行的代碼都必須駐留于一個(gè)類中。接口不能直接實(shí)例化，而是要通過(guò)一個(gè)實(shí)現(xiàn)了接口API的類。數(shù)組可以包含基本類型、類的實(shí)例或者其它數(shù)組。基本類型全部由平臺(tái)定義，程序員不能定義新的基本類型。

從最早開(kāi)始，Java的類型系統(tǒng)一直堅(jiān)持很重要的一點(diǎn)，每一種類型都必須有一個(gè)可以被引用的名字。這被稱為“標(biāo)明類型（Nominative typing）”，Java是一種強(qiáng)標(biāo)明類型語(yǔ)言。

即使是所謂的“匿名內(nèi)部類”也仍然有類型，程序員必須能引用它們，才能實(shí)現(xiàn)那些接口類型：

Runnable r = new Runnable() { public void run() { System.out.println('Hello World!'); } };

換種說(shuō)法，Java中的每個(gè)值要么是基本類型，要么是某個(gè)類的實(shí)例。

命名類型（Named Type）的其它選擇

其它語(yǔ)言沒(méi)有這么迷戀命名類型。例如，Java沒(méi)有這樣的Scala概念，一個(gè)實(shí)現(xiàn)（特定簽名的）特定方法的類型。在Scala中，可以這樣寫(xiě)：

x : {def bar : String}

記住，Scala在右側(cè)標(biāo)示變量類型（冒號(hào)后面），所以這讀起來(lái)像是“x是一種類型，它有一個(gè)方法bar返回String”。我們能用它來(lái)定義類似這樣的Scala方法：

def showRefine(x : {def bar : String}) = { print(x.bar) }

然后，如果我們定義一個(gè)合適的Scala對(duì)象：

object barBell { def bar = 'Bell' }

然后調(diào)用showRefine(barBell)，這就是我們期待的事：

showRefine(barBell) Bell

這是一個(gè)精化類型（Refinement typing）的例子。從動(dòng)態(tài)語(yǔ)言轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的程序員可能熟悉“鴨子類型（Duck typing）”。結(jié)構(gòu)精化類型（Structural refinement typing）是類似的，除了鴨子類型（如果它走起來(lái)像鴨子，叫起來(lái)像鴨子，就可以把它當(dāng)作鴨子）是運(yùn)行時(shí)類型，而這些結(jié)構(gòu)精化類型作用于編譯時(shí)。

在完全支持結(jié)構(gòu)精化類型的語(yǔ)言中，這些精化類型可以用在程序員可能期望的任何地方，例如方法參數(shù)的類型。而Java，相反地，不支持這樣的類型（除了幾個(gè)稍微怪異的邊緣例子）。

Java 5類型系統(tǒng)

Java 5的發(fā)布為類型系統(tǒng)帶來(lái)了三個(gè)主要新特性，枚舉、注解和泛型。

枚舉類型（Enum）在某些方面與類相似，但是它的屬性只能是指定數(shù)量的實(shí)例，每個(gè)實(shí)例都不同并且在類描述中指定。主要用于“類型安全的常量”，而不是當(dāng)時(shí)普遍使用的小整數(shù)常量，枚舉構(gòu)造同時(shí)還允許附加的模式，有時(shí)候這非常有用。注解（Annotation）與接口相關(guān)，聲明注解的關(guān)鍵字是@interface，以@開(kāi)始表示這是個(gè)注解類型。正如名字所建議的，它們用于給Java代碼元素做注釋，提供附加信息，但不影響其行為。此前，Java曾使用“標(biāo)記接口（Marker interface）”來(lái)提供這種元數(shù)據(jù)的有限形式，但注解被認(rèn)為更有靈活性。Java泛型提供了參數(shù)化類型，其想法是一種類型能扮演其它類型對(duì)象的“容器”，無(wú)需關(guān)心被包含類型的具體細(xì)節(jié)。裝配到容器中的類型通常稱為類型參數(shù)。

Java 5引入的特性中，枚舉和注解為引用類型提供了新的形式，這需要編譯器特殊處理，并且有效地從現(xiàn)有類型層級(jí)結(jié)構(gòu)分離。

泛型為Java的類型系統(tǒng)增加了顯著額外的復(fù)雜性，不僅僅因?yàn)樗鼈兪羌兇獾木幾g時(shí)特性，還要求Java開(kāi)發(fā)人員應(yīng)注意，編譯時(shí)和運(yùn)行時(shí)的類型系統(tǒng)彼此略有不同。

盡管有這些變化，Java仍然保持標(biāo)明類型。類型名稱現(xiàn)在包括List（讀作：“List-of-String”）和Map, CachedObject>（“Map-of-Class-of-Unknown-Type-to-CachedObject”），但這些仍然是命名的類型，并且每個(gè)非基本類型的值仍是某個(gè)類的實(shí)例。

Java 6和7引入的特性

Java 6基本上是一個(gè)性能優(yōu)化和類庫(kù)增強(qiáng)的版本。類型系統(tǒng)的唯一變化是擴(kuò)大注解角色，發(fā)布可插拔注解處理功能。這對(duì)大多數(shù)開(kāi)發(fā)者沒(méi)有任何影響，Java 6中也沒(méi)有真正提供可插拔類型系統(tǒng)。

Java 7的類型系統(tǒng)沒(méi)有重大改變。僅有的一些新特性，看起來(lái)都很相似：

javac編譯器中類型推斷的小改進(jìn)。簽名多態(tài)性分派（Signature polymorphic dispatch），用于方法句柄（Method handle）的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而這在Java 8中又反過(guò)來(lái)用于實(shí)現(xiàn)Lambda表達(dá)式。Multi-catch提供了一些“代數(shù)數(shù)據(jù)類型”的小跟蹤信息，但這些完全是javac內(nèi)部的，對(duì)最終用戶程序員沒(méi)有任何影響。Java 8的類型系統(tǒng)

縱觀其歷史，Java基本上已經(jīng)由其類型系統(tǒng)所定義。它是語(yǔ)言的核心，并且嚴(yán)格遵守著標(biāo)明類型。從實(shí)際情況來(lái)看，Java類型系統(tǒng)在Java 5和7之間沒(méi)有太大變化。

乍一看，我們可能期望Java 8改變這種狀況。畢竟，一個(gè)簡(jiǎn)單的Lambda表達(dá)式似乎讓我們移除了標(biāo)明類型：

() -> { System.out.println('Hello World!'); }

這是個(gè)沒(méi)有名字、沒(méi)有參數(shù)的方法，返回void。它仍然是完全靜態(tài)類型的，但現(xiàn)在是匿名的。

我們逃脫了名詞的王國(guó)？這真的是Java的一種新的類型形式？

也許不幸的是，答案是否定的。JVM上運(yùn)行的Java和其它語(yǔ)言，非常嚴(yán)格地限制在類的概念中。類加載是Java平臺(tái)的安全和驗(yàn)證模式的中心。簡(jiǎn)單地說(shuō)，不通過(guò)類來(lái)表示一種類型，這是非常非常難的。

Java 8沒(méi)有創(chuàng)建新的類型，而是通過(guò)編譯器將Lambda表達(dá)式自動(dòng)轉(zhuǎn)換成一個(gè)類的實(shí)例。這個(gè)類由類型推斷來(lái)決定。例如：

Runnable r = () -> { System.out.println('Hello World!'); };

右側(cè)的Lambda表達(dá)式是個(gè)有效的Java 8的值，但其類型是根據(jù)左側(cè)值推斷的，因此它實(shí)際上是Runnable類型的值。需要注意的是，如果沒(méi)有正確地使用Lambda表達(dá)式，可能會(huì)導(dǎo)致編譯器錯(cuò)誤。即使是引入了Lambda，Java也沒(méi)有改變這一點(diǎn)，仍然遵守著標(biāo)明類型。

Java 8的函數(shù)式編程怎么樣？

最后，讓我們回到本文開(kāi)頭提出的問(wèn)題，“Java 8的函數(shù)式編程怎么樣？”

Java 8之前，如果開(kāi)發(fā)者想以函數(shù)式風(fēng)格編程，他或她只能使用嵌套類型（通常是匿名內(nèi)部類）作為函數(shù)代碼的替代。默認(rèn)的Collection類庫(kù)不會(huì)為這些代碼提供任何方便，可變性的魔咒也始終存在。

Java 8的Lambda表達(dá)式?jīng)]有神奇地轉(zhuǎn)變成函數(shù)式語(yǔ)言。相反，它的作用仍是創(chuàng)建強(qiáng)制的強(qiáng)命名類型語(yǔ)言，但有更好的語(yǔ)法支持Lambda表達(dá)式函數(shù)文本。與此同時(shí)，Collection類庫(kù)也得到了增強(qiáng)，允許Java開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始采用簡(jiǎn)單的函數(shù)式風(fēng)格（例如filter和map）簡(jiǎn)化笨重的代碼。

Java 8需要引入一些新的類型來(lái)表示函數(shù)管道的基本構(gòu)造塊，如java.util.function中的Predicate、Function和Consumer接口。這些新增的功能使Java 8能夠“稍微函數(shù)式編程”，但Java需要用類型來(lái)表示它們（并且它們位于工具類包，而不是語(yǔ)言核心），這說(shuō)明標(biāo)明類型仍然束縛著Java語(yǔ)言，它離純粹的Lisp方言或者其它函數(shù)式語(yǔ)言是多么的遙遠(yuǎn)。

除了以上這些，這個(gè)函數(shù)式語(yǔ)言能量的小集合很可能是所有大多數(shù)開(kāi)發(fā)者日常開(kāi)發(fā)所真正需要的。對(duì)于高級(jí)用戶，還有（JVM或其它平臺(tái)）其它語(yǔ)言，并且毫無(wú)疑問(wèn)，將繼續(xù)蓬勃發(fā)展。