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本文會以惰性加載為例一步步介紹函數(shù)式編程中各種概念，所以讀者不需要任何函數(shù)式編程的基礎，只需要對 Java 8 有些許了解即可。

一 抽象一定會導致代碼性能降低?

程序員的夢想就是能寫出 “高內聚，低耦合”的代碼，但從經驗上來看，越抽象的代碼往往意味著越低的性能。機器可以直接執(zhí)行的匯編性能最強，C 語言其次，Java 因為較高的抽象層次導致性能更低。業(yè)務系統(tǒng)也受到同樣的規(guī)律制約，底層的數(shù)增刪改查接口性能最高，上層業(yè)務接口，因為增加了各種業(yè)務校驗，以及消息發(fā)送，導致性能較低。

對性能的顧慮，也制約程序員對于模塊更加合理的抽象。

一起來看一個常見的系統(tǒng)抽象，“用戶” 是系統(tǒng)中常見的一個實體，為了統(tǒng)一系統(tǒng)中的 “用戶” 抽象，我們定義了一個通用領域模型 User，除了用戶的 id 外，還含有部門信息，用戶的主管等等，這些都是常常在系統(tǒng)中聚合在一起使用的屬性:

public class User { 
    // 用戶 id 
    private Long uid; 
    // 用戶的部門，為了保持示例簡單，這里就用普通的字符串 
    // 需要遠程調用 通訊錄系統(tǒng) 獲得 
    private String department; 
    // 用戶的主管，為了保持示例簡單，這里就用一個 id 表示 
    // 需要遠程調用 通訊錄系統(tǒng) 獲得 
    private Long supervisor; 
    // 用戶所持有的權限 
    // 需要遠程調用 權限系統(tǒng) 獲得 
    private Set<String> permission; 
} 

這看起來非常棒，“用戶“常用的屬性全部集中到了一個實體里，只要將這個 User 作為方法的參數(shù)，這個方法基本就不再需要查詢其他用戶信息了。但是一旦實施起來就會發(fā)現(xiàn)問題，部門和主管信息需要遠程調用通訊錄系統(tǒng)獲得，權限需要遠程調用權限系統(tǒng)獲得，每次構造 User 都必須付出這兩次遠程調用的代價，即使有的信息沒有用到。比如下面的方法就展示了這種情況(判斷一個用戶是否是另一個用戶的主管)：

public boolean isSupervisor(User u1, User u2) { 
    return Objects.equals(u1.getSupervisor(), u2.getUid()); 
} 

為了能在上面這個方法參數(shù)中使用通用 User 實體，必須付出額外的代價：遠程調用獲得完全用不到的權限信息，如果權限系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，還會影響無關接口的穩(wěn)定性。

想到這里我們可能就想要放棄通用實體的方案了，讓裸露的 uid 彌漫在系統(tǒng)中，在系統(tǒng)各處散落用戶信息查詢代碼。

其實稍作改進就可以繼續(xù)使用上面的抽象，只需要將 department, supervisor 和 permission 全部變成惰性加載的字段，在需要的時候才進行外部調用獲得，這樣做有非常多的好處：

• 業(yè)務建模只需要考慮貼合業(yè)務，而不需要考慮底層的性能問題，真正實現(xiàn)業(yè)務層和物理層的解耦
• 業(yè)務邏輯與外部調用分離，無論外部接口如何變化，我們總是有一層適配層保證核心邏輯的穩(wěn)定
• 業(yè)務邏輯看起來就是純粹的實體操作，易于編寫單元測試，保障核心邏輯的正確性

但是在實踐的過程中常會遇到一些問題，本文就結合 Java 以及函數(shù)式編程的一些技巧，一起來實現(xiàn)一個惰性加載工具類。

二 嚴格與惰性：Java 8 的 Supplier 的本質

Java 8 引入了全新的函數(shù)式接口 Supplier，從老 Java 程序員的角度理解，它不過就是一個可以獲取任意值的接口而已，Lambda 不過是這種接口實現(xiàn)類的語法糖。這是站在語言角度而不是計算角度的理解。當你了解了嚴格(strict)與惰性(lazy)的區(qū)別之后，可能會有更加接近計算本質的看法。

因為 Java 和 C 都是嚴格的編程語言，所以我們習慣了變量在定義的地方就完成了計算。事實上，還有另外一個編程語言流派，它們是在變量使用的時候才進行計算的，比如函數(shù)式編程語言 Haskell。

所以 Supplier 的本質是在 Java 語言中引入了惰性計算的機制，為了在 Java 中實現(xiàn)等價的惰性計算，可以這么寫：

Supplier<Integer> a = () -> 10 + 1; 
int b = a.get() + 1; 

三 Supplier 的進一步優(yōu)化：Lazy

Supplier 還存在一個問題，就是每次通過 get 獲取值時都會重新進行計算，真正的惰性計算應該在第一次 get 后把值緩存下來。只要對 Supplier 稍作包裝即可：

/** 
* 為了方便與標準的 Java 函數(shù)式接口交互，Lazy 也實現(xiàn)了 Supplier 
*/ 
public class Lazy<T> implements Supplier<T> { 
 
    private final Supplier<? extends T> supplier; 
     
    // 利用 value 屬性緩存 supplier 計算后的值 
    private T value; 
 
    private Lazy(Supplier<? extends T> supplier) { 
        this.supplier = supplier; 
    } 
 
    public static <T> Lazy<T> of(Supplier<? extends T> supplier) { 
        return new Lazy<>(supplier); 
    } 
 
    public T get() { 
        if (value == null) { 
            T newValue = supplier.get(); 
 
            if (newValue == null) { 
                throw new IllegalStateException("Lazy value can not be null!"); 
            } 
 
            value = newValue; 
        } 
 
        return value; 
    } 
} 

通過 Lazy 來寫之前的惰性計算代碼：

Lazy<Integer> a = Lazy.of(() -> 10 + 1); 
int b = a.get() + 1; 
// get 不會再重新計算, 直接用緩存的值 
int c = a.get(); 

通過這個惰性加載工具類來優(yōu)化我們之前的通用用戶實體：

public class User { 
    // 用戶 id 
    private Long uid; 
    // 用戶的部門，為了保持示例簡單，這里就用普通的字符串 
    // 需要遠程調用 通訊錄系統(tǒng) 獲得 
    private Lazy<String> department; 
    // 用戶的主管，為了保持示例簡單，這里就用一個 id 表示 
    // 需要遠程調用 通訊錄系統(tǒng) 獲得 
    private Lazy<Long> supervisor; 
    // 用戶所含有的權限 
    // 需要遠程調用 權限系統(tǒng) 獲得 
    private Lazy<Set<String>> permission; 
     
    public Long getUid() { 
        return uid; 
    } 
     
    public void setUid(Long uid) { 
        this.uid = uid; 
    } 
     
    public String getDepartment() { 
        return department.get(); 
    } 
     
    /** 
    * 因為 department 是一個惰性加載的屬性，所以 set 方法必須傳入計算函數(shù)，而不是具體值 
    */ 
    public void setDepartment(Lazy<String> department) { 
        this.department = department; 
    } 
    // ... 后面類似的省略 
} 

一個簡單的構造 User 實體的例子如下：

Long uid = 1L; 
User user = new User(); 
user.setUid(uid); 
// departmentService 是一個rpc調用 
user.setDepartment(Lazy.of(() -> departmentService.getDepartment(uid))); 
// .... 

這看起來還不錯，但當你繼續(xù)深入使用時會發(fā)現(xiàn)一些問題：用戶的兩個屬性部門和主管是有相關性，需要通過 rpc 接口獲得用戶部門，然后通過另一個 rpc 接口根據(jù)部門獲得主管。代碼如下：

String department = departmentService.getDepartment(uid); 
Long supervisor = SupervisorService.getSupervisor(department); 

但是現(xiàn)在 department 不再是一個計算好的值了，而是一個惰性計算的 Lazy 對象，上面的代碼又應該怎么寫呢?"函子" 就是用來解決這個問題的

四 Lazy 實現(xiàn)函子(Functor)

快速理解：類似 Java 中的 stream api 或者 Optional 中的 map 方法。函子可以理解為一個接口，而 map 可以理解為接口中的方法。

1 函子的計算對象

Java 中的 Collection，Optional，以及我們剛剛實現(xiàn) Lazy，都有一個共同特點，就是他們都有且僅有一個泛型參數(shù)，我們在這篇文章中暫且稱其為盒子，記做 Box，因為他們都好像一個萬能的容器，可以任意類型打包進去。

2 函子的定義

函子運算可以將一個 T 映射到 S 的 function 應用到 Box 上，讓其成為 Box，一個將 Box 中的數(shù)字轉換為字符串的例子如下：

在盒子中裝的是類型，而不是 1 和 "1" 的原因是，盒子中不一定是單個值，比如集合，甚至是更加復雜的多值映射關系。

需要注意的是，并不是隨便定義一個簽名滿足 Box map(Function function) 就能讓 Box 成為函子的，下面就是一個反例：

// 反例，不能成為函子，因為這個方法沒有在盒子中如實反映 function 的映射關系 
public Box<S> map(Function<T,S> function) { 
    return new Box<>(null); 
} 

所以函子是比 map 方法更加嚴格的定義，他還要求 map 滿足如下的定律，稱為 函子定律(定律的本質就是保障 map 方法能如實反映參數(shù) function 定義的映射關系)：

• 單位元律：Box 在應用了恒等函數(shù)后，值不會改變，即 box.equals(box.map(Function.identity()))始終成立(這里的 equals 只是想表達的一個數(shù)學上相等的含義)
• 復合律：假設有兩個函數(shù) f1 和 f2，map(x -> f2(f1(x))) 和 map(f1).map(f2) 始終等價

很顯然 Lazy 是滿足上面兩個定律的。

3 Lazy 函子

雖然介紹了這么多理論，實現(xiàn)卻非常簡單：

public <S> Lazy<S> map(Function<? super T, ? extends S> function) { 
        return Lazy.of(() -> function.apply(get())); 
    } 

可以很容易地證明它是滿足函子定律的。

通過 map 我們很容易解決之前遇到的難題，map 中傳入的函數(shù)可以在假設部門信息已經獲取到的情況下進行運算：

Lazy<String> departmentLazy = Lazy.of(() -> departmentService.getDepartment(uid)); 
Lazy<Long> supervisorLazy = departmentLazy.map( 
    department -> SupervisorService.getSupervisor(department) 
); 

4 遇到了更加棘手的情況

我們現(xiàn)在不僅可以構造惰性的值，還可以用一個惰性值計算另一個惰性值，看上去很完美。但是當你進一步深入使用的時候，又發(fā)現(xiàn)了更加棘手的問題。

我現(xiàn)在需要部門和主管兩個參數(shù)來調用權限系統(tǒng)來獲得權限，而部門和主管這兩個值都是惰性的值。先用嵌套 map 來試一下：

Lazy<Lazy<Set<String>>> permissions = departmentLazy.map(department -> 
         supervisorLazy.map(supervisor -> getPermissions(department, supervisor)) 
); 

返回值的類型好像有點奇怪，我們期待得到的是 Lazy>，這里得到的卻多了一層變成 Lazy>>。而且隨著你嵌套 map 層數(shù)增加，Lazy 的泛型層次也會同樣增加，三參數(shù)的例子如下：

Lazy<Long> param1Lazy = Lazy.of(() -> 2L); 
Lazy<Long> param2Lazy = Lazy.of(() -> 2L); 
Lazy<Long> param3Lazy = Lazy.of(() -> 2L); 
Lazy<Lazy<Lazy<Long>>> result = param1Lazy.map(param1 -> 
        param2Lazy.map(param2 -> 
                param3Lazy.map(param3 -> param1 + param2 + param3) 
        ) 
); 

這個就需要下面的單子運算來解決了。

五 Lazy 實現(xiàn)單子 (Monad)

快速理解：和 Java stream api 以及 Optional 中的 flatmap 功能類似

1 單子的定義

單子和函子的重大區(qū)別在于接收的函數(shù)，函子的函數(shù)一般返回的是原生的值，而單子的函數(shù)返回卻是一個盒裝的值。下圖中的 function 如果用 map 而不是 flatmap 的話，就會導致結果變成一個俄羅斯套娃--兩層盒子。

單子當然也有單子定律，但是比函子定律要復雜些，這里就不做闡釋了，他的作用和函子定律也是類似，確保 flatmap 能夠如實反映 function 的映射關系。

2 Lazy 單子

實現(xiàn)同樣很簡單：

public <S> Lazy<S> flatMap(Function<? super T, Lazy<? extends S>> function) { 
        return Lazy.of(() -> function.apply(get()).get()); 
    } 

利用 flatmap 解決之前遇到的問題：

Lazy<Set<String>> permissions = departmentLazy.flatMap(department -> 
         supervisorLazy.map(supervisor -> getPermissions(department, supervisor)) 
); 

三參數(shù)的情況：

Lazy<Long> param1Lazy = Lazy.of(() -> 2L); 
Lazy<Long> param2Lazy = Lazy.of(() -> 2L); 
Lazy<Long> param3Lazy = Lazy.of(() -> 2L); 
Lazy<Long> result = param1Lazy.flatMap(param1 -> 
        param2Lazy.flatMap(param2 -> 
                param3Lazy.map(param3 -> param1 + param2 + param3) 
        ) 
); 

其中的規(guī)律就是，最后一次取值用 map，其他都用 flatmap。

3 題外話：函數(shù)式語言中的單子語法糖

看了上面的例子你一定會覺得惰性計算好麻煩，每次為了取里面的惰性值都要經歷多次的 flatmap 與 map。這其實是 Java 沒有原生支持函數(shù)式編程而做的妥協(xié)之舉，Haskell 中就支持用 do 記法簡化 Monad 的運算，上面三參數(shù)的例子如果用 Haskell 則寫做：

do 
    param1 <- param1Lazy 
    param2 <- param2Lazy 
    param3 <- param3Lazy 
    -- 注釋: do 記法中 return 的含義和 Java 完全不一樣 
    -- 它表示將值打包進盒子里, 
    -- 等價的 Java 寫法是 Lazy.of(() -> param1 + param2 + param3) 
    return param1 + param2 + param3 

Java 中雖然沒有語法糖，但是上帝關了一扇門，就會打開一扇窗。在 Java 中可以清晰地看出每一步在做什么，理解其中的原理，如果你讀過了本文之前的內容，肯定能明白這個 do 記法就是不停地在做 flatmap 。

六 Lazy 的最終代碼

目前為止，我們寫的 Lazy 代碼如下：

public class Lazy<T> implements Supplier<T> { 
 
    private final Supplier<? extends T> supplier; 
 
    private T value; 
 
    private Lazy(Supplier<? extends T> supplier) { 
        this.supplier = supplier; 
    } 
 
    public static <T> Lazy<T> of(Supplier<? extends T> supplier) { 
        return new Lazy<>(supplier); 
    } 
 
    public T get() { 
        if (value == null) { 
            T newValue = supplier.get(); 
 
            if (newValue == null) { 
                throw new IllegalStateException("Lazy value can not be null!"); 
            } 
 
            value = newValue; 
        } 
 
        return value; 
    } 
 
    public <S> Lazy<S> map(Function<? super T, ? extends S> function) { 
        return Lazy.of(() -> function.apply(get())); 
    } 
 
    public <S> Lazy<S> flatMap(Function<? super T, Lazy<? extends S>> function) { 
        return Lazy.of(() -> function.apply(get()).get()); 
    } 
} 

七 構造一個能夠自動優(yōu)化性能的實體

利用 Lazy 我們寫一個構造通用 User 實體的工廠：

@Component 
public class UserFactory { 
     
    // 部門服務, rpc 接口 
    @Resource 
    private DepartmentService departmentService; 
     
    // 主管服務, rpc 接口 
    @Resource 
    private SupervisorService supervisorService; 
     
    // 權限服務, rpc 接口 
    @Resource 
    private PermissionService permissionService; 
     
    public User buildUser(long uid) { 
        Lazy<String> departmentLazy = Lazy.of(() -> departmentService.getDepartment(uid)); 
        // 通過部門獲得主管 
        // department -> supervisor 
        Lazy<Long> supervisorLazy = departmentLazy.map( 
            department -> SupervisorService.getSupervisor(department) 
        ); 
        // 通過部門和主管獲得權限 
        // department, supervisor -> permission 
        Lazy<Set<String>> permissionsLazy = departmentLazy.flatMap(department -> 
            supervisorLazy.map( 
                supervisor -> permissionService.getPermissions(department, supervisor) 
            ) 
        ); 
         
        User user = new User(); 
        user.setUid(uid); 
        user.setDepartment(departmentLazy); 
        user.setSupervisor(supervisorLazy); 
        user.setPermissions(permissionsLazy); 
    } 
} 

工廠類就是在構造一顆求值樹，通過工廠類可以清晰地看出 User 各個屬性間的求值依賴關系，同時 User 對象能夠在運行時自動地優(yōu)化性能，一旦某個節(jié)點被求值，路徑上的所有屬性的值都會被緩存。

八 異常處理

雖然我們通過惰性讓 user.getDepartment() 仿佛是一次純內存操作，但是他實際上還是一次遠程調用，所以可能出現(xiàn)各種出乎意料的異常，比如超時等等。

異常處理肯定不能交給業(yè)務邏輯，這樣會影響業(yè)務邏輯的純粹性，讓我們前功盡棄。比較理想的方式是交給惰性值的加載邏輯 Supplier。在 Supllier 的計算邏輯中就充分考慮各種異常情況，重試或者拋出異常。雖然拋出異常可能不是那么“函數(shù)式”，但是比較貼近 Java 的編程習慣，而且在關鍵的值獲取不到時就應該通過異常阻斷業(yè)務邏輯的運行。

九 總結

利用本文方法構造的實體，可以將業(yè)務建模上需要的屬性全部放置進去，業(yè)務建模只需要考慮貼合業(yè)務，而不需要考慮底層的性能問題，真正實現(xiàn)業(yè)務層和物理層的解耦。

同時 UserFactory 本質上就是一個外部接口的適配層，一旦外部接口發(fā)生變化，只需要修改適配層即可，能夠保護核心業(yè)務代碼的穩(wěn)定。

業(yè)務核心代碼因為外部調用大大減少，代碼更加接近純粹的運算，因而易于書寫單元測試，通過單元測試能夠保證核心代碼的穩(wěn)定且不會出錯。

十 題外話：Java 中缺失的柯里化與應用函子(Applicative)

仔細想想，剛剛做了這么多，目的就是一個，讓簽名為 C f(A,B) 的函數(shù)可以無需修改地應用到盒裝類型 Box和 Box 上，并且產生一個 Box，在函數(shù)式語言中有更加方便的方法，那就是應用函子。

應用函子概念上非常簡單，就是將盒裝的函數(shù)應用到盒裝的值上，最后得到一個盒裝的值，在 Lazy 中可以這么實現(xiàn)：

// 注意，這里的 function 是裝在 lazy 里面的 
    public <S> Lazy<S> apply(Lazy<Function<? super T, ? extends S>> function) { 
        return Lazy.of(() -> function.get().apply(get())); 
    } 

不過在 Java 中實現(xiàn)這個并沒有什么用，因為 Java 不支持柯里化。

柯里化允許我們將函數(shù)的幾個參數(shù)固定下來變成一個新的函數(shù)，假如函數(shù)簽名為 f(a,b)，支持柯里化的語言允許直接 f(a) 進行調用，此時返回值是一個只接收 b 的函數(shù)。

在支持柯里化的情況下，只需要連續(xù)的幾次應用函子，就可以將普通的函數(shù)應用在盒裝類型上了，舉個 Haskell 的例子如下(<*> 是 Haskell 中應用函子的語法糖, f 是個簽名為 c f(a, b) 的函數(shù)，語法不完全正確，只是表達個意思)：

-- 注釋: 結果為 box c 
box f <*> box a <*> box b 

參考資料

• 在 Java 函數(shù)式類庫 VAVR 中提供了類似的 Lazy 實現(xiàn)，不過如果只是為了用這個一個類的話，引入整個庫還是有些重，可以利用本文的思路直接自己實現(xiàn)
• 函數(shù)式編程進階：應用函子 前端角度的函數(shù)式編程文章，本文一定程度上參考了里面盒子的類比方法：https://juejin.cn/post/6891820537736069134?spm=ata.21736010.0.0.595242a7a98f3U
• 《Haskell函數(shù)式編程基礎》
• 《Java函數(shù)式編程》