Java 8 の関数型プログラミングに関する簡単な説明

「Java 8 は Java に関数型プログラミングをもたらす」について多くの議論がありましたが、この発言は実際には何を意味するのでしょうか?

この記事では、機能主義と、それが言語またはプログラミング方法として何を意味するかについて説明します。 「Java 8 の関数型プログラミングはどうなっているの?」に答える前に、Java の進化、特にその型システムを見てみましょう。Java 8 の新機能、特にラムダ式が Java の状況をどのように変えたかを見てみましょう。そして、関数型プログラミング スタイルの主な利点を提供します。

関数型プログラミング言語とは何ですか?

関数型プログラミング言語の中核は、データを処理するのと同じ方法でコードを処理することです。これは、関数がファーストクラスの値である必要があり、変数に割り当てたり、関数に渡したりできる必要があることを意味します。

実際、多くの関数型言語はこれよりもさらに進んでおり、演算やアルゴリズムを操作するデータよりも重要なものとして扱います。これらの言語の中には、プログラムの状態と関数を分離したいと考えているものがあります (オブジェクト指向言語では、通常、プログラムの状態と関数が緊密に結びついているのとは少し対照的ですが)。

Clojure プログラミング言語は、クラスベースの Java 仮想マシン上で実行されますが、本質的には関数型言語であり、高水準言語ソース プログラム内のクラスやオブジェクトを直接公開しません (ただし、優れた統合を提供します)。 Java 相互運用性を備えています)。

以下にログの処理に使用される Clojure 関数を示します。これは第一級市民であり、存在するためにクラスにバインドされる必要はありません。

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

関数で書かれたプログラムが (プログラム内の他の状態に関係なく) 指定された入力に対して常に同じ出力を返し、他の影響を与えたり、プログラムの状態を変更したりしない場合、関数型プログラミングが最も役立ちます。これらは数学関数のように動作し、この基準に従う関数は「純粋な」関数と呼ばれることもあります。

純粋関数の大きな利点は、その操作が外部状態に依存しないため、推論が容易であることです。関数は簡単に組み合わせることができます。これは、Lisp 方言や関数型の強い伝統を持つ他の言語で一般的な REPL (読み取り、実行、印刷、ループ) スタイルなどの開発者のワークフロー スタイルで一般的です。

非関数型プログラミング言語における関数型プログラミング

言語が関数型であるかどうかは、実際には、グラフ上に存在します。最終的には関数型プログラミングが基本的に強制され、多くの場合、変更可能なデータ構造が禁止されます。 Clojure は、可変データを受け入れない言語です。

ただし、通常は関数型の方法でプログラムする他の言語もいくつかありますが、言語はこれを強制しません。 Scala は、オブジェクト指向言語と関数型言語のハイブリッドの一例です。 Java に非常に近いクラスとオブジェクトの構文を保持しながら、関数を値として使用できます (例:

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

)。

もちろん、適切なプログラマーのガイドラインと規約が維持されている限り、C などの完全に非関数型言語で関数型プログラミングを行うことも可能です。

これを念頭に置いて、関数型プログラミングは 2 つの要素の関数として見るべきで、1 つはプログラミング言語に関連し、もう 1 つはその言語で書かれたプログラムです:

1) 基礎となるプログラミングがどの程度であるか言語 関数型プログラミングをサポートしますか、それとも強制しますか?

2) この特定のプログラムは、言語によって提供される関数機能をどのように使用しますか?可変状態などの非機能的な機能を回避しますか?

Java の歴史

Java は、非常に読みやすく、ジュニアプログラマーにとっても理解しやすく、長期的な安定性とサポート性を備えた独自の言語です。しかし、これらの設計上の決定には、冗長なコードと他の言語に比べて柔軟性に劣る型システムという代償が伴います。

ただし、Java の型システムは、言語の歴史の中で比較的ゆっくりとはいえ進化してきました。長年にわたってそれがどのような形をとってきたかをいくつか見てみましょう。

Java のオリジナルの型システム

Java のオリジナルの型システムは 15 年以上前から存在しています。シンプルかつ明確で、型には参照型と基本型があります。クラス、インターフェイス、または配列は参照型です。

类是Java平台的核心，类是Java平台将会加载、或链接的功能的基本单位，所有要执行的代码都必须驻留于一个类中。

接口不能直接实例化，而是要通过一个实现了接口API的类。

数组可以包含基本类型、类的实例或者其它数组。

基本类型全部由平台定义，程序员不能定义新的基本类型。

从最早开始，Java的类型系统一直坚持很重要的一点，每一种类型都必须有一个可以被引用的名字。这被称为“标明类型（Nominative typing）”，Java是一种强标明类型语言。

即使是所谓的“匿名内部类”也仍然有类型，程序员必须能引用它们，才能实现那些接口类型：

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

换种说法，Java中的每个值要么是基本类型，要么是某个类的实例。

命名类型（Named Type）的其它选择

其它语言没有这么迷恋命名类型。例如，Java没有这样的Scala概念，一个实现（特定签名的）特定方法的类型。在Scala中，可以这样写：

x : {def bar : String}

记住，Scala在右侧标示变量类型（冒号后面），所以这读起来像是“x是一种类型，它有一个方法bar返回String”。我们能用它来定义类似这样的Scala方法：

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

然后，如果我们定义一个合适的Scala对象：

object barBell { def bar = "Bell" }

然后调用showRefine(barBell)，这就是我们期待的事：

showRefine(barBell) Bell

这是一个精化类型（Refinement typing）的例子。从动态语言转过来的程序员可能熟悉“鸭子类型（Duck typing）”。结构精化类型（Structural refinement typing）是类似的，除了鸭子类型（如果它走起来像鸭子，叫起来像鸭子，就可以把它当作鸭子）是运行时类型，而这些结构精化类型作用于编译时。

在完全支持结构精化类型的语言中，这些精化类型可以用在程序员可能期望的任何地方，例如方法参数的类型。而Java，相反地，不支持这样的类型（除了几个稍微怪异的边缘例子）。

Java 5类型系统

Java 5的发布为类型系统带来了三个主要新特性，枚举、注解和泛型。

枚举类型（Enum）在某些方面与类相似，但是它的属性只能是指定数量的实例，每个实例都不同并且在类描述中指定。主要用于“类型安全的常量”，而不是当时普遍使用的小整数常量，枚举构造同时还允许附加的模式，有时候这非常有用。

注解（Annotation）与接口相关，声明注解的关键字是@interface，以@开始表示这是个注解类型。正如名字所建议的，它们用于给Java代码元素做注释，提供附加信息，但不影响其行为。此前，Java曾使用“标记接口（Marker interface）”来提供这种元数据的有限形式，但注解被认为更有灵活性。

Java泛型提供了参数化类型，其想法是一种类型能扮演其它类型对象的“容器”，无需关心被包含类型的具体细节。装配到容器中的类型通常称为类型参数。

Java 5引入的特性中，枚举和注解为引用类型提供了新的形式，这需要编译器特殊处理，并且有效地从现有类型层级结构分离。

泛型为Java的类型系统增加了显著额外的复杂性，不仅仅因为它们是纯粹的编译时特性，还要求Java开发人员应注意，编译时和运行时的类型系统彼此略有不同。

尽管有这些变化，Java仍然保持标明类型。类型名称现在包括List（读作：“List-of-String”）和Map, CachedObject>（“Map-of-Class-of-Unknown-Type-to-CachedObject”），但这些仍然是命名的类型，并且每个非基本类型的值仍是某个类的实例。

Java 6和7引入的特性

Java 6基本上是一个性能优化和类库增强的版本。类型系统的唯一变化是扩大注解角色，发布可插拔注解处理功能。这对大多数开发者没有任何影响，Java 6中也没有真正提供可插拔类型系统。

Java 7的类型系统没有重大改变。仅有的一些新特性，看起来都很相似：

javac编译器中类型推断的小改进。

签名多态性分派（Signature polymorphic dispatch），用于方法句柄（Method handle）的实现细节，而这在Java 8中又反过来用于实现Lambda表达式。

Multi-catch提供了一些“代数数据类型”的小跟踪信息，但这些完全是javac内部的，对最终用户程序员没有任何影响。

Java 8的类型系统

纵观其历史，Java基本上已经由其类型系统所定义。它是语言的核心，并且严格遵守着标明类型。从实际情况来看，Java类型系统在Java 5和7之间没有太大变化。

乍一看，我们可能期望Java 8改变这种状况。毕竟，一个简单的Lambda表达式似乎让我们移除了标明类型：

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

这是个没有名字、没有参数的方法，返回void。它仍然是完全静态类型的，但现在是匿名的。

我们逃脱了名词的王国？这真的是Java的一种新的类型形式？

也许不幸的是，答案是否定的。JVM上运行的Java和其它语言，非常严格地限制在类的概念中。类加载是Java平台的安全和验证模式的中心。简单地说，不通过类来表示一种类型，这是非常非常难的。

Java 8没有创建新的类型，而是通过编译器将Lambda表达式自动转换成一个类的实例。这个类由类型推断来决定。例如：

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

右侧的Lambda表达式是个有效的Java 8的值，但其类型是根据左侧值推断的，因此它实际上是Runnable类型的值。需要注意的是，如果没有正确地使用Lambda表达式，可能会导致编译器错误。即使是引入了Lambda，Java也没有改变这一点，仍然遵守着标明类型。

Java 8的函数式编程怎么样？

最后，让我们回到本文开头提出的问题，“Java 8的函数式编程怎么样？”

Java 8之前，如果开发者想以函数式风格编程，他或她只能使用嵌套类型（通常是匿名内部类）作为函数代码的替代。默认的Collection类库不会为这些代码提供任何方便，可变性的魔咒也始终存在。

Java 8的Lambda表达式没有神奇地转变成函数式语言。相反，它的作用仍是创建强制的强命名类型语言，但有更好的语法支持Lambda表达式函数文本。与此同时，Collection类库也得到了增强，允许Java开发人员开始采用简单的函数式风格（例如filter和map）简化笨重的代码。

Java 8需要引入一些新的类型来表示函数管道的基本构造块，如java.util.function中的Predicate、Function和Consumer接口。这些新增的功能使Java 8能够“稍微函数式编程”，但Java需要用类型来表示它们（并且它们位于工具类包，而不是语言核心），这说明标明类型仍然束缚着Java语言，它离纯粹的Lisp方言或者其它函数式语言是多么的遥远。

除了以上这些，这个函数式语言能量的小集合很可能是所有大多数开发者日常开发所真正需要的。对于高级用户，还有（JVM或其它平台）其它语言，并且毫无疑问，将继续蓬勃发展。