传统 for 循环的函数式替代方案

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尽管 for 循环包含许多可变部分,但许多开发人员仍非常熟悉它,并会不假思索地使用它。从 Java🇹🇲 8 开始,我们有多个强大的新方法可帮助简化复杂迭代。在本文中,您将了解如何使用 IntStream 方法 range、iterate 和 limit 来迭代范围和跳过范围中的值。您还将了解新的 takeWhile 和 dropWhile 方法(即将在 Java 9 中引入)。

-----------------来自小马哥的故事

for 循环的麻烦

在 Java 语言的第 1 个版本中就开始引入了传统的 for 循环,它的更简单的变体 for-each 是在 Java 5 中引入的。大部分开发人员更喜欢使用 for-each 执行日常迭代,但对于迭代一个范围或跳过范围中的值等操作,他们仍会使用 for。

or 循环非常强大,但它包含太多可变部分。甚至在打印 get set 提示的最简单任务中,也可以看出这一点:

清单 1. 完成一个简单任务的复杂代码:

System.out.print("Get set...");
  for(int i = 1; i < 4; i++) {
    System.out.print(i + "...");
  }

在清单 1 中,我们从 1 开始循环处理索引变量 i,将它限制到小于 4 的值。请注意,for 循环需要我们告诉循环是递增的。在本例中,我们还选择了前递增而不是后递增。

清单 1 中没有太多代码,但比较繁琐。Java 8 提供了一种更简单、更优雅的替代方法:IntStream 的 range 方法。以下是打印清单 1 中的相同 get set 提示的 range方法:

清单 2. 完成一个简单任务的简单代码:

System.out.print("Get set...");
  IntStream.range(1, 4)
    .forEach(i -> System.out.print(i + "..."));

在清单 2 中,我们看到并没有显著减少代码量,但降低了它的复杂性。这样做有两个重要原因:

  1. 不同于 for,range 不会强迫我们初始化某个可变变量。

  2. 迭代会自动执行,所以我们不需要像循环索引一样定义增量。

在语义上,最初的 for 循环中的变量 i 是一个可变变量。理解 range 和类似方法的价值对理解该设计的结果很有帮助。

可变变量与参数

for 循环中定义的变量 i 是单个变量,它会在每次对循环执行迭代时发生改变。range 示例中的变量 i 是Lambda表达式的参数,所以它在每次迭代中都是一个全新的变量。这是一个细微区别,但决定了两种方法的不同。以下示例有助于阐明这一点。

清单 3 中的 for 循环想在一个内部类中使用索引变量:

清单 3. 在内部类中使用索引变量:

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
      for(int i = 0; i < 5; i++) {
        int temp = i;
 
        executorService.submit(new Runnable() {
          public void run() {
            //If uncommented the next line will result in an error
            //System.out.println("Running task " + i); 
            //local variables referenced from an inner class must be final or effectively final
 
            System.out.println("Running task " + temp); 
          }
        });
      }
 
      executorService.shutdown();

我们有一个匿名的内部类实现了 Runnable 接口。我们想在 run 方法中访问索引变量 i,但编译器不允许这么做。

作为此限制的解决办法,我们可以创建一个局部临时变量,比如 temp,它是索引变量的一个副本。每次新的迭代都会创建变量 temp。在 Java 8 以前,我们需要将该变量标记为 final。从 Java 8 开始,可以将它视为实际的最终结果,因为我们不会再更改它。无论如何,由于事实上索引变量是一个在迭代中改变的变量,for 循环中就会出现这个额外变量。

现在尝试使用 range 函数解决同一个问题。

清单 4. 在内部类中使用Lambda参数:

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
                       
     IntStream.range(0, 5)
       .forEach(i -> 
         executorService.submit(new Runnable() {
           public void run() {
             System.out.println("Running task " + i); 
           }
         }));
 
     executorService.shutdown();

在作为一个参数被Lambda表达式接受后,索引变量 i 的语义与循环索引变量有所不同。与清单 3 中手动创建的 temp 非常相似,这个 i 参数在每次迭代中都表现为一个全新的变量。它是实际最终变量,因为我们不会在任何地方更改它的值。因此,我们可以直接在内部类的上下文中使用它 — 且不会有任何麻烦。

因为 Runnable 是一个函数接口,所以我们可以轻松地将匿名的内部类替换为Lambda表达式,比如:

清单 5. 将内部类替换为Lambda表达式:

IntStream.range(0, 5)
       .forEach(i -> 
         executorService.submit(() -> System.out.println("Running task " + i)));

显然,对于相对简单的迭代,使用 range 代替 for 具有一定优势,但 for 的特殊价值体现在于它能处理更复杂的迭代场景。让我们看看 range 和其他 Java 8 方法孰优孰劣。

封闭范围

创建 for 循环时,可以将索引变量封闭在一个范围内,比如:

清单 6. 一个具有封闭范围的 for 循环:

for(int i = 0; i <= 5; i++) {}

索引变量 i 接受值 0、1、……5。无需使用 for,我们可以使用 rangeClosed 方法。在本例中,我们告诉 IntStream 将最后一个值限制在该范围内:

清单 7. rangeClosed 方法:

IntStream.rangeClosed(0, 5)

迭代此范围时,我们会获得包含边界值 5 在内的值。

跳过值

对于基本循环,range 和 rangeClosed 方法是 for 的更简单、更优雅的替代方法,但是如果想跳过一些值该怎么办?在这种情况下,for 对前期工作的需求使该运算变得非常容易。在清单 8 中,for 循环在迭代期间快速跳过两个值:

清单 8. 使用 for 跳过值:

int total = 0;
for(int i = 1; i <= 100; i = i + 3) {
  total += i;
}

清单 8 中的循环在 1 到 100 内对每次读到的第三个值作求和计算 — 这种复杂运算可使用 for 轻松完成。能否也使用 range 解决此问题?

首先,可以考虑使用 IntStream 的 range 方法,再结合使用 filter 或 map。但是,所涉及的工作比使用 for 循环要多。一种更可行的解决方案是结合使用 iterate 和 limit:

清单 9. 使用 limit 的迭代:

IntStream.iterate(1, e -> e + 3)
  .limit(34)
  .sum()

iterate 方法很容易使用;它只需获取一个初始值即可开始迭代。作为第二参数传入的Lambda表达式决定了迭代中的下一个值。这类似于清单 8,我们将一个表达式传递给 for 循环来递增索引变量的值。但是,在本例中有一个陷阱。不同于 range 和 rangeClosed,没有参数来告诉 iterate 方法何时停止迭代。如果我们没有限制该值,迭代会一直进行下去。

如何解决这个问题?

我们对 1 到 100 之间的值感兴趣,而且想从 1 开始跳过两个值。稍加运算,即可确定给定范围中有 34 个符合要求的值。所以我们将该数字传递给 limit 方法。

此代码很有效,但过程太复杂:提前执行数学运算不那么有趣,而且它限制了我们的代码。如果我们决定跳过 3 个值而不是 2 个值,该怎么办?我们不仅需要更改代码,结果也很容易出错。我们需要有一个更好的方法。

takeWhile 方法

Java 9 中即将引入的 takeWhile 是一个新方法,它使得执行有限制的迭代变得更容易。使用 takeWhile,可以直接表明只要满足想要的条件,迭代就应该继续执行。以下是使用 takeWhile 实现清单 9 中的迭代的代码。

清单 10. 有条件的迭代:

IntStream.iterate(1, e -> e + 3)
     .takeWhile(i -> i <= 100) //available in Java 9
     .sum()

无需将迭代限制到预先计算的次数,我们使用提供给 takeWhile 的条件,动态确定何时终止迭代。与尝试预先计算迭代次数相比,这种方法简单得多,而且更不容易出错。

与 takeWhile 方法相反的是 dropWhile,它跳过满足给定条件前的值,这两个方法都是 JDK 中非常需要的补充方法。takeWhile 方法类似于 break,而 dropWhile 则类似于 continue。从 Java 9 开始,它们将可用于任何类型的 Stream。

逆向迭代

与正向迭代相比,逆向迭代同样非常简单,无论使用传统的 for 循环还是 IntStream。

以下是一个逆向的 for 循环迭代:

清单 11. 使用 for 的逆向迭代:

for(int i = 7; i > 0; i--) {

range 或 rangeClosed 中的第一个参数不能大于第二个参数,所以我们无法使用这两种方法来执行逆向迭代。但可以使用 iterate 方法:

清单 12. 使用 iterate 的逆向迭代:

IntStream.iterate(7, e -> e - 1)
     .limit(7)

将一个Lambda表达式作为参数传递给 iterate 方法,该方法对给定值进行递减,以便沿相反方向执行迭代。我们使用 limit 函数指定我们希望在逆向迭代期间看到总共多少个值。如有必要,还可以使用 takeWhile 和 dropWhile 方法来动态调整迭代流。

结束语

尽管传统 for 循环非常强大,但它有些过于复杂。Java 8 和 Java 9 中的新方法可帮助简化迭代,甚至是简化复杂的迭代。方法 range、iterate 和 limit 的可变部分较少,这有助于提高代码效率。这些方法还满足了 Java 的一个长期以来的要求,那就是局部变量必须声明为 final,然后才能从内部类访问它。将一个可变索引变量更换为实际的 final 参数只有很小的语义差别,但它减少了大量垃圾变量。最终您会得到更简单、更优雅的代码。