利用 Lambda 表达式实现 Java 中的惰性求值

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利用 Lambda 表达式实现 Java 中的惰性求值

2018 年 8 月 23 日 ImportNew

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来源：ImportNew - yizhe

Java 中惰性求值的潜能，完全被忽视了（在语言层面上，它仅被用来实现短路求值）。更先进的语言，如 Scala，区分了传值调用与传名调用，或者引入了 lazy 这样的关键字。

尽管 Java 8 通过延迟队列的实现（java.util.stream.Stream）在惰性求值的方面有些改进，但是我们会先跳过 Stream，而把重点放在如何使用 lambda 表达式实现一个轻量级的惰性求值。

基于 lambda 的惰性求值

Scala

当我们想对 Scala 中的方法参数进行惰性求值时，我们用“传名调用”来实现。

让我们创建一个简单的 foo 方法，它接受一个 String 示例，然后返回这个 String：

def foo(b: String): String = b

一切都是马上返回的，跟 Java 中的一样。如果我们想让 b 的计算延迟，可以使用传名调用的语法，只要在 b 的类型声明上加两个符号，来看：

def foo(b: => String): String = b

如果用 javap 反编译上面生成的 *.class 文件，可以看到:

Compiled from "LazyFoo.scala"

public final class LazyFoo {

public static java.lang.String foo(scala.Function0<java.lang.String>);

Code:

0: getstatic #17 // Field LazyFoo.MODULE:LLazyFoo$;

3: aload_0

4: invokevirtual #19 // Method LazyFoo$.foo:(Lscala/Function0;)Ljava/lang/String;

7: areturn

}

看起来传给这个函数的参数不再是一个 String 了，而是变成了一个 Function0，这使得对这个表达式进行延迟计算变得可能 —— 只要我们不去调用他，计算就不会被触发。Scala 中的惰性求值就是这么简单。

使用 Java

现在，如果我们需要延迟触发一个返回 T 的计算，我们可以复用上面的思路，将计算包装为一个返回 Supplier 实例的 Java Function0 ：

Integer v1 = 42; // eager

Supplier<Integer> v2 = () -> 42; // lazy

如果需要花费较长时间才能从函数中获得结果，上面这个方法会更加实用：

Integer v1 = compute(); //eager

Supplier<Integer> value = () -> compute(); // lazy

同样的，这次传入一个方法作为参数：

private static int computeLazily(Supplier<Integer> value) {

// ...

}

如果仔细观察 Java 8 中新增的 API，你会注意到这种模式使用得特别频繁。一个最显著的例子就是 Optional#orElseGet ，Optional#orElse 的惰性求值版本。

如果不使用这种模式的话，那么 Optional 就没什么用处了… 或许吧。当然，我们不会满足于 suppliers 。我们可以用同样的方法复用所有 functional 接口。

线程安全和缓存

不幸的是，上面这个简单的方法是有缺陷的：每次调用都会触发一次计算。不仅多线程的调用有这个缺陷，同一个线程连续调用多次也有这个缺陷。不过，如果我们清楚这个缺陷，并且合理的使用这个技术，那就没什么问题。

使用缓存的惰性求值

刚才已经提到，基于 lambda 表达式的方法在一些情况下是有缺陷的，因为返回值没有保存起来。为了修复这个缺陷，我们需要构造一个专用的工具，让我们叫它 Lazy ：

public class Lazy<T> { ... }

这个工具需要自身同时保存 Supplier 和返回值 T。

@RequiredArgsConstructor

public class NaiveLazy<T> {

private final Supplier<T> supplier;

private T value;

public T get() {

if (value == null) {

value = supplier.get();

}

return value;

}

}

就是这么简单。注意上面的代码仅仅是一个概念模型，暂时还不是线程安全的。

幸运的是，如果想让它变得线程安全，只需要保证不同的线程在获取返回值的时候不会触发同样的计算。这可以简单的通过双重检查锁定机制来实现（我们不能直接在 get() 方法上加锁，这会引入不必要的竞争）：

@RequiredArgsConstructor

public class Lazy<T> {

private final Supplier<T> supplier;

private volatile T value;

public T get() {

if (value == null) {

synchronized (this) {

if (value == null) {

value = supplier.get();

}

}

}

return value;

}

}

现在，我们有了一个完整的 Java 惰性求值的函数化实现。由于它不是在语言的层面实现的，需要付出创建一个新对象的代价。

更深入的讨论

当然，我们不会就此打住，我们可以进一步的优化这个工具。比如，通过引入一个惰性的 filter()/flatMap()/map() 方法，可以让它使用起来更加流畅，并且组合性更强：

public <R> Lazy<R> map(Function<T, R> mapper) {

return new Lazy<>(() -> mapper.apply(this.get()));

}

public <R> Lazy<R> flatMap(Function<T, Lazy<R>> mapper) {

return new Lazy<>(() -> mapper.apply(this.get()).get());

}

public Lazy<Optional<T>> filter(Predicate<T> predicate) {

return new Lazy<>(() -> Optional.of(get()).filter(predicate));

}

优化永无止境。

我们也可以暴露一个方便的工厂方法：

public static <T> Lazy<T> of(Supplier<T> supplier) {

return new Lazy<>(supplier);

}

实际使用上：

Lazy.of(() -> compute(42))

.map(s -> compute(13))

.flatMap(s -> lazyCompute(15))

.filter(v -> v > 0);

你可以看到，只要作为调用链底层的 #get 方法没有被调用，那么什么计算也不会触发。

Null 的处理

某些情况下，null 会被当做有意义的值。不过它与我们的实现有冲突 —— 一个有意义的 null 值被当做一个未初始化的值，这不太合适。

解决方法也很简单，直接把这种可能的结果包装到一个 Optional 实例里返回。

除此之外，明确禁止 null 作为返回值也是一个好办法，比如：

value = Objects.requireNonNull(supplier.get());

回收不再使用的 Supplier

有些读者可能已经注意到了，结果计算完毕之后，supplier 就不再使用了，但是它仍然占据一些资源。

解决办法就是把 Supplier 标记为非 final 的，一旦结果计算完毕，就把它置为 null。

完整的例子

public class Lazy<T> {

private transient Supplier<T> supplier;

private volatile T value;

public Lazy(Supplier<T> supplier) {

this.supplier = Objects.requireNonNull(supplier);

}

public T get() {

if (value == null) {

synchronized (this) {

if (value == null) {

value = Objects.requireNonNull(supplier.get());

supplier = null;

}

}

}

return value;

}

public <R> Lazy<R> map(Function<T, R> mapper) {

return new Lazy<>(() -> mapper.apply(this.get()));

}

public <R> Lazy<R> flatMap(Function<T, Lazy<R>> mapper) {

return new Lazy<>(() -> mapper.apply(this.get()).get());

}

public Lazy<Optional<T>> filter(Predicate<T> predicate) {

return new Lazy<>(() -> Optional.of(get()).filter(predicate));

}

public static <T> Lazy<T> of(Supplier<T> supplier) {

return new Lazy<>(supplier);

}

}