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深入學(xué)習(xí)java內(nèi)存化和函數(shù)式協(xié)同

 更新時間:2019年06月12日 11:08:59   作者:Neal Ford  
這篇文章主要介紹了深入學(xué)習(xí)java內(nèi)存化和函數(shù)式協(xié)同,文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,,需要的朋友可以參考下

前言

所有編程語言都在增加函數(shù)特性,因為運(yùn)行時已變得強(qiáng)大到足夠適應(yīng)性能或內(nèi)存開銷。函數(shù)式編程的許多收益之一是,您可將麻煩或容易出錯的任務(wù)卸載到運(yùn)行時。另一個收益是將函數(shù)特性簡潔地組合到您代碼中的能力。

在本期文章中,我將探討 Java 下一代語言中的內(nèi)存化。然后,通過利用 Clojure 示例,我將展示通過利用函數(shù)特性之間的協(xié)調(diào)作用,如何實現(xiàn)常見問題的一般解決方案。

內(nèi)存化

內(nèi)存化 這個詞是 Donald Michie(一位英國人工智能研究人員)發(fā)明的,用于表示重復(fù)的值的函數(shù)級緩存。如今,內(nèi)存化在函數(shù)式編程語言中很常見,它要么被用作一個內(nèi)置特性,要么被用作一個相對容易實現(xiàn)的特性。

內(nèi)存化在以下場景中很有幫助。假設(shè)您必須反復(fù)調(diào)用一個注重性能的函數(shù)。一個常見解決方案是構(gòu)建內(nèi)部緩存。每次計算某個參數(shù)集的值時,您都會將該值放入緩存中,作為參數(shù)值的線索。在未來,如果該函數(shù)使用以前的參數(shù)調(diào)用,那么它將會從緩存返回值,而不是重新計算它。函數(shù)緩存是一種經(jīng)典的計算機(jī)科學(xué)權(quán)衡:它使用更多內(nèi)存(我們常常擁有豐富的內(nèi)存)來不斷實現(xiàn)更高的性能。

函數(shù)必須是純粹的,緩存技術(shù)才能發(fā)揮其作用。純函數(shù) 是沒有副作用的函數(shù):它沒有引用任何其他易變的類字段,沒有設(shè)置除返回值以外的任何值,而且僅依賴于參數(shù)作為輸入。java.lang.Math 類中的所有方法都是純函數(shù)的良好示例。顯然,只有在函數(shù)可靠地為一組給定的參數(shù)返回相同值時,您才能成功地重用緩存的結(jié)果。

Groovy 中的內(nèi)存化

內(nèi)存化在 Groovy 中很簡單,Groovy 在 Closure 類上包含一系列 memoize() 函數(shù)。例如,假設(shè)您有一個昂貴的哈希算法,以至于您需要緩存結(jié)果來提高效率。為此,您可以使用閉包塊語法來定義方法,在返回時調(diào)用 memoize() 函數(shù),如清單 1 所示。我并不是暗示清單 1 中使用的 ROT13 算法(即凱撒密碼 的一個版本)的性能面臨挑戰(zhàn),只是假設(shè)緩存在這個示例中很重要。

清單 1. Groovy 中的內(nèi)存化

class NameHash {
def static hash = {name ->
name.collect{rot13(it)}.join()
}.memoize()
public static char rot13(s) {
char c = s
switch (c) {
case 'A'..'M':
case 'a'..'m': return c + 13
case 'N'..'Z':
case 'n'..'z': return c - 13
default: return c
}
}
}
class NameHashTest extends GroovyTestCase {
void testHash() {
assertEquals("ubzre", NameHash.hash.call("homer")) }
}

正常情況下,Groovy 函數(shù)定義看起來像清單 1 中的 rot13(),方法主體位于參數(shù)列表之后。hash() 函數(shù)定義使用了稍微不同的語法,將代碼塊分配給 hash 變量。該定義的最后一部分是對 memoize() 的調(diào)用,它自動為重復(fù)的值創(chuàng)建一個內(nèi)部緩存,與該參數(shù)建立聯(lián)系。

memoize() 方法實際上是一個方法系列,為您提供了對緩存特征的一定控制,如表 1 所示。

表 1. Groovy 的 memoize() 系列

方法 用途
memoize() 返回閉包的一個包含緩存的實例
memoizeAtMost() 為緩存元素的數(shù)量設(shè)置一個上限
memoizeAtLeast(int protectedCacheSize) 為緩存元素的數(shù)量設(shè)置一個下限,保護(hù)一定數(shù)量的元素免遭垃圾收集
memoizeBetween(int protectedCacheSize, int maxCacheSize) 為緩存元素的數(shù)量設(shè)置一個下限和上限

表 1 中的方法為您提供了對緩存特征粗粒度的控制,這不是直接調(diào)優(yōu)緩存特征的細(xì)粒度方式。內(nèi)存化應(yīng)是一種通用機(jī)制,您可以用它來輕松優(yōu)化常見的緩存情形。

Clojure 中的內(nèi)存化

內(nèi)置于 Clojure 中的內(nèi)存化。您可以使用 (memoize ) 函數(shù)內(nèi)存化任何函數(shù)。例如,如果您已經(jīng)擁有一個 (hash "homer") 函數(shù),那么您可以通過 (memoize (hash "homer")) 針對一個緩存版本而對其進(jìn)行內(nèi)存化。清單 2 在 Clojure 中實現(xiàn)了 清單 1 中的名稱哈希示例。

清單 2. Clojure 內(nèi)存化

(defn name-hash [name]
(apply str (map #(rot13 %) (split name #"\d"))))
(def name-hash-m (memoize name-hash))
(testing "name hash"
(is (= "ubzre" (name-hash "homer"))))
(testing "memoized name hash"
(is (= "ubzre" (name-hash-m "homer")))))

請注意,在 清單 1 中,調(diào)用內(nèi)存化的函數(shù)需要調(diào)用 call() 方法。在 Clojure 版本中,內(nèi)存化的方法調(diào)用在表面上完全相同,但增加了對方法用戶不可見的間接性和緩存。

Scala 中的內(nèi)存化

Scala 沒有直接實現(xiàn)內(nèi)存化,但有一個名為 getOrElseUpdate() 的集合方法來處理實現(xiàn)它的大部分工作,如清單 3 所示。

清單 3. Scala 內(nèi)存化

def memoize[A, B](f: A => B) = new (A => B) {
val cache = scala.collection.mutable.Map[A, B]()
def apply(x: A): B = cache.getOrElseUpdate(x, f(x))
}
def nameHash = memoize(hash)

清單 3 中的 getOrElseUpdate() 函數(shù)是建立緩存的完美的運(yùn)算符。它檢索匹配的值,或者在沒有匹配值時創(chuàng)建一個新條目。

組合函數(shù)特性

通過復(fù)合 (composition) 來組合

復(fù)合 在軟件開發(fā)中有許多含義。函數(shù)復(fù)合 指組合函數(shù)來獲得復(fù)合結(jié)果的能力。在數(shù)學(xué)術(shù)語中,如果您有一個 f(x) 函數(shù)和一個 g(x) 函數(shù),那么您應(yīng)能夠執(zhí)行 f(g(x))。在軟件術(shù)語中,如果您有一個將字符串轉(zhuǎn)換為大寫的 a() 函數(shù)和一個刪除過量空格的 b() 函數(shù),那么復(fù)合函數(shù)將執(zhí)行這兩項任務(wù)。

在上一節(jié)和前幾期 Java 下一代 文章中,我介紹了函數(shù)式編程的許多細(xì)節(jié),尤其是與 Java 下一代語言相關(guān)的細(xì)節(jié)。但是,函數(shù)式編程的真正強(qiáng)大之處在于各種特性與解決方案的執(zhí)行方式的組合。

面向?qū)ο蟮某绦騿T傾向于不斷創(chuàng)建新數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和附帶的運(yùn)算。畢竟,構(gòu)建新類和在它們之間傳遞的消息是主要的語言模式。但是構(gòu)建如此多的定制結(jié)構(gòu),會使在最低層級上構(gòu)建可重用代碼變得很困難。函數(shù)式編程語言引用一些核心代碼結(jié)構(gòu)并構(gòu)建優(yōu)化的機(jī)制來理解它們。

以下是一個示例。清單 4 給出了來自 Apache Commons 框架的 indexOfAny() 方法,該框架為 Java 編程提供了大量幫助器。

清單 4. 來自 Apache Commons 的 indexOfAny()

// From Apache Commons Lang, http://commons.apache.org/lang/
public static int indexOfAny(String str, char[] searchChars) {
if (isEmpty(str) || ArrayUtils.isEmpty(searchChars)) { 
return INDEX_NOT_FOUND;
}
int csLen = str.length();
int csLast = csLen - 1;
int searchLen = searchChars.length;
int searchLast = searchLen - 1;
for (int i = 0; i < csLen; i++) {
char ch = str.charAt(i);
for (int j = 0; j < searchLen; j++) { 
if (searchChars[j] == ch) {
if (i < csLast && j < searchLast && CharUtils.isHighSurrogate(ch)) {
if (searchChars[j + 1] == str.charAt(i + 1)) {
return i;
}
} else {
return i;
}
}
}
}
return INDEX_NOT_FOUND;
}

清單 4 中 1/3 的代碼負(fù)責(zé)邊緣檢查和實現(xiàn)嵌套迭代所需的變量的初始化。我將逐步將此代碼轉(zhuǎn)換為 Clojure。作為第一步,我將刪除邊角情形,如清單 5 所示。

清單 5. 刪除邊角情形

public static int indexOfAny(String str, char[] searchChars) {
when(searchChars) {
int csLen = str.length();
int csLast = csLen - 1;
int searchLen = searchChars.length;
int searchLast = searchLen - 1;
for (int i = 0; i < csLen; i++) {
char ch = str.charAt(i);
for (int j = 0; j < searchLen; j++) {
if (searchChars[j] == ch) {
if (i < csLast && j < searchLast && CharUtils.isHighSurrogate(ch)) {
if (searchChars[j + 1] == str.charAt(i + 1)) {
return i;
}
} else {
return i;
}
}
}
}
return INDEX_NOT_FOUND;
}
}

Clojure 會智能地處理 null 和 empty 情形,擁有 (when ...) 等智能函數(shù),該函數(shù)僅在字符存在時返回 true。Clojure 具有動態(tài)(且強(qiáng))類型,消除了在使用前聲明變量類型的需求。因此,我可以刪除類型聲明,獲得清單 6 中所示的代碼。

清單 6. 刪除類型聲明

indexOfAny(str, searchChars) {
when(searchChars) {
csLen = str.length();
csLast = csLen - 1;
searchLen = searchChars.length;
searchLast = searchLen - 1;
for (i = 0; i < csLen; i++) {
ch = str.charAt(i);
for (j = 0; j < searchLen; j++) {
if (searchChars[j] == ch) { 
if (i < csLast && j < searchLast && CharUtils.isHighSurrogate(ch)) {
if (searchChars[j + 1] == str.charAt(i + 1)) {
return i;
}
} else {
return i;
}
}
}
}
return INDEX_NOT_FOUND;
}
}

for 循環(huán) (命令式語言的主要元素)允許依次訪問每個元素。函數(shù)式語言傾向于更多地依靠集合方法,這些方法已理解(或避免)了邊角情形,所以我可刪除 isHighSurrogate()(它檢查字符編碼)等方法和索引指針的操作。此轉(zhuǎn)換的結(jié)果如清單 7 所示。

清單 7. 一個用于替換最里面的 for 的 when 子句

// when clause for innermost for
indexOfAny(str, searchChars) {
when(searchChars) {
csLen = str.length(); 
for (i = 0; i < csLen; i++) { 
ch = str.charAt(i);
when (searchChars(ch)) i;
}
}
}

在清單 7 中,我將代碼折疊到一個方法中,該方法會檢查受歡迎的字符是否存在,在找到這些字符時,它會返回其索引。盡管我既未使用 Java 也未使用 Clojure,而是提供了一段陌生的偽代碼,但這個 when 方法并不總是存在。但 Clojure 中還有 (when ) 方法,此代碼會慢慢變成該方法。

接下來,我將最頂層的 for 循環(huán)替換為一種更加簡潔的代碼,使用 for comprehension: 一個結(jié)合了集合的訪問和過濾(等)的宏。演變后的代碼如清單 8 所示。

清單 8. 添加一個 comprehension

// add comprehension
indexOfAny(str, searchChars) {
when(searchChars) {
for ([i, ch] in indexed(str)) { 
when (searchChars(ch)) i;
}
}
}

要理解清單 8 中的 for comprehension,首先您必須理解一些部件。Clojure 中的 (indexed ...) 函數(shù)接受一個 Sequence

并返回一個包含編號的元素的序列。例如,如果我調(diào)用 (indexed '(a b c)),返回值為 ([0 a] [1 b] [2 c])。(單個撇號告訴 Clojure,我想要一個字符的文字序列,但并不希望執(zhí)行一個包含兩個參數(shù)的 (a )。)for comprehension 在我的搜索字符上創(chuàng)建這個序列,然后應(yīng)用內(nèi)部的 when 來查找匹配字符的索引。

此轉(zhuǎn)換的最后一步是將代碼轉(zhuǎn)換為合適的 Clojure 語法,還原真實函數(shù)和語法的外觀,如清單 9 所示。

清單 9. Clojure 化的代碼

// Clojure-ify
(defn index-filter [pred coll] 
(when pred 
(for [[index element] (indexed coll) :when (pred element)] index)))

在清單 9 中的最終的 Clojure 版本中,我將語法轉(zhuǎn)換為合適的 Clojure 并添加一次升級:此函數(shù)的調(diào)用方現(xiàn)在可傳遞任何判定函數(shù)(一個返回布爾值結(jié)果的函數(shù)),而不只是檢查一個空字符串。Clojure 的一個目標(biāo)是實現(xiàn)創(chuàng)建可讀的代碼的能力(在您理解圓括號之后),而且這個函數(shù)證實了這種能力:對于帶索引的集合,在您的判定與元素匹配時,將會返回索引。

Clojure 的另一個目標(biāo)是使用最少量的字符來表達(dá)清楚目的;在這方面,Java 與 Clojure 相差甚遠(yuǎn)。表 2 比較了 清單 4 中的 “移動部件” 和 清單 9 中的相應(yīng)部件。

表 2.比較 “移動部件”

要求 函數(shù)
函數(shù) 1 1
1 0
內(nèi)部退出點 2 0
變量 3 0
分支 4 0
布爾運(yùn)算符 1 0
函數(shù)調(diào)用 6 3
總計 18 4

復(fù)雜性上的差異一目了然。盡管 Clojure 代碼更簡單,但它也更加通用。這里,我對一個硬幣翻轉(zhuǎn)序列建立了索引,建模為 Clojure :h(頭)和 :t(尾)關(guān)鍵字:

(index-filter #{:h} [:t :t :h :t :h :t :t :t :h :h]) 
-> (2 4 8 9)

請注意,返回值是所有匹配的索引位置的序列,而不只是第一個。Clojure 中的列表操作盡可能是 惰性的,包括這一個操作。如果我僅想要第一個值,那么我可以通過 (take 1 ) 從結(jié)果中獲得該值,或者我可以全部打印它們,就像我在這里所做的那樣。

我的 (index-filter ) 函數(shù)是通用的,所以我可在數(shù)字上使用它。例如,我可確定其斐波納契值超過 1,000 的第一個數(shù)字:

(first 
(index-filter #(> % 1000) (fibo)))
-> 17

(fibo) 函數(shù)返回一個沒有限制但惰性的斐波納契數(shù)字序列;(index-filter ) 找到第一個超過 1,000 的值。(事實證明,18 的斐波納契值為 1,597。)函數(shù)結(jié)構(gòu)、動態(tài)類型、惰性和簡潔語法相結(jié)合,得到的是更強(qiáng)大的功能。

惰性

惰性 — 盡可能延遲表達(dá)式計算 — 是函數(shù)式語言在不需要或只需很少開發(fā)人員成本的情況下添加功能的另一個優(yōu)秀示例。請參閱 “函數(shù)式思維:探索 Java 中的惰性計算” 和 “函數(shù)式思維:深入剖析惰性計算”,了解 Java 下一代語言中的惰性討論和示例。

結(jié)束語

函數(shù)式編程結(jié)構(gòu)在零散使用時可帶來優(yōu)勢,在結(jié)合使用它們時會帶來更多的優(yōu)勢。所有 Java 下一代語言在一定程度上都是函數(shù)式的,支持增加這種開發(fā)風(fēng)格的使用。

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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