Java 开发人员的 Scala 指南: 面向对象的函数编程

Java 开发人员的 Scala 指南: 面向对象的函数编程
2011年03月01日
　　 函数概念 
　　开始之前，我将列出一些必要的函数概念，以帮助理解为何 Scala 以这种方式操作和表现。如果您对函数语言― Haskell、ML 或函数领域的新成员 F# ― 比较熟悉,就请看看scala与java的区别吧。 
　　函数语言的名称源于这样一种概念：程序行为应该像数学函数一样；换句话说，给定一组输入，函数应始终返回相同的输出。这不仅意味着每个函数必须返回一个值，还意味着从一个调用到下一个调用，函数本质上不得具有内蕴状态（intrinsic state）。这种无状态的内蕴概念（在函数/对象领域中，默认情况下指的是永远不变的对象），是函数语言被认为是并发领域伟大的 “救世主” 的主要原因。 
　　与许多最近开始在 Java 平台上占有一席之地的动态语言不同，Scala 是静态类型的，正如 Java 代码一样。但是，与 Java 平台不同，Scala 大量利用了类型推断（type inferencing），这意味着，编译器深入分析代码以确定特定值的类型，无需编程人员干预。类型推断需要较少的冗余类型代码。例如，考虑声明本地变量并为其赋值的 Java 代码，如清单 1 所示： 
　　清单 1. 声明本地变量并为其赋值的 Java 代码 class BrainDead { public static void main(String[] args) { String message = "Why does javac need to be told message is a String?" + "What else could it be if I'm assigning a String to it?"; } }
　　Scala 不需要任何这种手动操作，稍后我将介绍。 
　　大量的其他函数功能（比如模式匹配）已经被引入到 Scala 语言中，但是将其全部列出超出了本文的范围。Scala 还添加许多目前 Java 编程中没有的功能，比如操作符重载（它完全不像大多数 Java 开发人员所想象的那样）， 具有 “更高和更低类型边界” 的泛型、视图等。与其他功能相比，这些功能使得 Scala 在处理特定任务方面极其强大，比如处理或生成 XML。 
　　但抽象概述并不够：程序员喜欢看代码，所以让我们来看一下 Scala 可以做什么。 
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　　开始认识您 
　　根据计算机科学的惯例，我们的第一个 Scala 程序将是标准的演示程序 “Hello World”： 
　　Listing 2. Hello.Scala object HelloWorld { def main(args: Array[String]): unit = { System.out.println("Hello, Scala!") } } 
　　使用 scalac Hello.scala 编译此程序，然后使用 Scala 启动程序（scala HelloWorld）或使用传统的 Java 启动程序运行生成的代码，注意，将 Scala 核心库包括在 JVM 的类路径（java -classpath %SCALA_HOME%\lib\scala-library.jar;. HelloWorld）中。不管使用哪一种方法，都应出现传统的问候。 
　　清单 2 中的一些元素对于您来说一定很熟悉，但也使用了一些新元素。例如，首先，对 System.out.println 的熟悉的调用演示了 Scala 对底层 Java 平台的忠诚。Scala 充分利用了 Java 平台可用于 Scala 程序的强大功能。（事实上，它甚至会允许 Scala 类型继承 Java 类，反之亦然，但更多信息将在稍后介绍。） 
　　另一方面，如果仔细观察，您还会注意到，在 System.out.println 调用的结尾处缺少分号；这并非输入错误。与 Java 平台不同，如果语句很明显是在一行的末尾终结，则 Scala 不需要分号来终结语言。但是，分号仍然受支持，而且有时候是必需的，例如，多个语句出现在同一物理行时。通常，刚刚入门的 Scala 程序员不用考虑需不需加分号，当需要分号的时候，Scala 编译器将提醒程序员（通常使用闪烁的错误消息）。 
　　此外，还有一处微小的改进，Scala 不需要包含类定义的文件来反映类的名称。一些人将发现这是对 Java 编程的振奋人心的变革；那些没有这样做的人可以继续使用 Java “类到文件” 的命名约定，而不会出现问题。 
　　现在，看一下 Scala 从何处真正脱离传统的 Java/面向对象代码。 
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　　将函数和表单最终结合起来 
　　对于初学者，Java 发烧友将注意到，HelloWorld 是使用关键字 object 来定义的，而不是使用 class。这是 Scala 对单例模式（Singleton pattern）的认可― object 关键字告诉 Scala 编译器这将是个单例对象，因此 Scala 将确保只有一个 HelloWorld 实例存在。基于同样的原因，注意 main 没有像在 Java 编程中一样被定义为静态方法。事实上，Scala 完全避开了 static 的使用。如果应用程序需要同时具有某个类型的实例和某种 “全局” 实例，则 Scala 应用程序将允许以相同的名字同时定义 class 和 object。 
　　接下来，注意 main 的定义，与 Java 代码一样，是 Scala 程序可接受的输入点。它的定义，虽然看起来与 Java 的定义不同，实际上是等同的：main 接受 String 数组作为参数且不返回任何值。但是，在 Scala 中，此定义看起来与 Java 版本稍有差异。args 参数被定义为 args: Array[String]。 
　　在 Scala 中，数组表示为泛型化的 Array 类的实例，这正是 Scala 使用方括号（“[]”）而非尖括号（“”）来指明参数化类型的原因。此外，为了保持一致性，整个语言中都使用 name: type 的这种模式。 
　　与其他传统函数语言一样，Scala 要求函数（在本例中为一个方法）必须始终返回一个值。因此，它返回称为 unit 的 “无值” 值。针对所有的实际目的，Java 开发人员可以将 unit 看作 void，至少目前可以这样认为。 
　　方法定义的语法似乎比较有趣，当它使用 = 操作符时，就像将随后的方法体赋值给 main 标识符。事实上，真正发生的事情是：在函数语言中，就像变量和常量一样，函数是一级概念，所以语法上也是一样地处理。 
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　　您说的是闭包吗？ 
　　函数作为一级概念的一个含义是，它们必须被识别为单独的结构，也称为闭包，这是 Java 社区最近一直热烈争论的话题。在 Scala 中，这很容易完成。考虑清单 3 中的程序，此程序定义了一个函数，该函数每隔一秒调用一次另一个函数： 
　　清单 3. Timer1.scala object Timer { def oncePerSecond(): unit = { while (true) { System.out.println("Time flies when you're having fun(ctionally)...") Thread.sleep(1000) } } def main(args: Array[String]): unit = { oncePerSecond } } 
　　不幸的是，这个特殊的代码并没有什么功能 …… 或者甚至没任何用处。例如，如果想要更改显示的消息，则必须修改 oncePerSecond 方法的主体。传统的 Java 程序员将通过为 oncePerSecond 定义 String 参数来包含要显示的消息。但甚至这样也是极端受限的：其他任何周期任务（比如 ping 远程服务器）将需要各自版本的 oncePerSecond，这很明显违反了 “不要重复自己” 的规则。我认为我可以做得更好。 
　　清单 4. Timer2.scala object Timer { def oncePerSecond(callback: () => unit): unit = { while (true) { callback() Thread.sleep(1000) } } def timeFlies(): unit = { Console.println("Time flies when you're having fun(ctionally)..."); } def main(args: Array[String]): unit = { oncePerSecond(timeFlies) } }
　　现在，事情开始变得有趣了。在清单 4 中，函数 oncePerSecond 接受一个参数，但其类型很陌生。形式上，名为 callback 的参数接受一个函数作为参数。只要传入的函数不接受任何参数（以 () 指示）且无返回（由 => 指示）值（由函数值 unit 指示），就可以使用此函数。然后请注意，在循环体中，我使用 callback 来调用传递的参数函数对象。 
　　幸运的是，我在程序的其他地方已经有了这样一个函数，名为 timeFlies。所以，我从 main 中将其传递给 oncePerSecond 函数。（您还会注意到，timeFlies 使用了一个 Scala 引入的类 Console，它的用途与 System.out 或新的 java.io.Console 类相同。这纯粹是一个审美问题；System.out 或 Console 都可以在这里使用。） 
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　　匿名函数，您的函数是什么？ 
　　现在，这个 timeFlies 函数似乎有点浪费― 毕竟，它除了传递给 oncePerSecond 函数外毫无用处。所以，我根本不会正式定义它，如清单 5 所示： 
　　清单 5. Timer3.scala object Timer { def oncePerSecond(callback: () => unit): unit = { while (true) { callback() Thread.sleep(1000) } } def main(args: Array[String]): unit = { oncePerSecond(() => Console.println("Time flies... oh, you get the idea.")) } } 
　　在清单 5 中，主函数将一块任意代码作为参数传递给 oncePerSecond，看起来像来自 Lisp 或 Scheme 的 lambda 表达式，事实上，这是另一种闭包。这个匿名函数 再次展示了将函数当作一级公民处理的强大功能，它允许您在继承性以外对代码进行全新地泛化。（Strategy 模式的粉丝们可能已经开始唾沫横飞了。） 
　　事实上，oncePerSecond 仍然太特殊了：它具有不切实际的限制，即回调将在每秒被调用。我可以通过接受第二个参数指明调用传递的函数的频率，来将其泛化，如清单 6 所示： 
　　清单 6. Timer4.scala object Timer { def periodicCall(seconds: int, callback: () => unit): unit = { while (true) { callback() Thread.sleep(seconds * 1000) } } def main(args: Array[String]): unit = { periodicCall(1, () => Console.println("Time flies... oh, you get the idea.")) } } 
　　这是函数语言中的公共主题：创建一个只做一件事情的高级抽象函数，让它接受一个代码块（匿名函数）作为参数，并从这个高级函数中调用这个代码块。例如，遍历一个对象集合。无需在 for 循环内部使用传统的 Java 迭代器对象，而是使用一个函数库在集合类上定义一个函数― 通常叫做 “iter”或 “map”― 接受一个带单个参数（要迭代的对象）的函数。例如，上述的 Array 类具有一个函数 filter，此函数在清单 7 中定义： 
　　清单 7. Array.scala 的部分清单 class Array[A] { // ... def filter (p : (A) => Boolean) : Array[A] = ... // not shown } 
　　清单 7 声明 p 是一个接受由 A 指定的泛型参数的函数，然后返回一个布尔值。Scala 文档表明 filter “返回一个由满足谓词 p 的数组的所有元素组成的数组”。这意味着如果我想返回我的 Hello World 程序，查找所有以字母 G 开头的命令行参数，则可以编写像清单 8 一样简单的代码： 
　　清单 8. Hello, G-men! object HelloWorld { def main(args: Array[String]): unit = { args.filter( (arg:String) => arg.startsWith("G") ) .foreach( (arg:String) => Console.println("Found " + arg) ) } }
　　此处，filter 接受谓词，这是一个隐式返回布尔值（startsWith() 调用的结果）的匿名函数，并使用 args 中的每个元素来调用谓词。如果谓词返回 true，则它将此值添加到结果数组中。遍历了整个数组之后，它接受结果数组并将其返回，然后此数组立即用作 “foreach” 调用的来源，此调用执行的操作就像它名字的含义一样：foreach 接受另一个函数，并将此函数应用于数组中的每个元素（在本例中，仅显示每个元素）。 
　　不难想象等同于上述 HelloG.scala 的 Java 是什么样的，而且也不难发现 Scala 版本非常简短，也非常清晰。 
　　结束语 
　　Scala 中的编程如此地熟悉，同时又如此地不同。相似之处在于您可以使用已经了解而且钟爱多年的相同的核心 Java 对象，但明显不同的是考虑将程序分解成部分的方式。在面向 Java 开发人员的 Scala 指南 的第一篇文章中，我仅仅简单介绍了 Scala 的功能。将来还有很多内容尚待挖掘，但是现在让我们陶醉在函数化的过程中吧！