Java 開發者的函數式程式設計（3）List 處理模式


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在使用代數資料型態定義（或說是模擬）了清單類型之後，我們回到 Java 開發者的函數式程式設計（2） 中留下的最後一個問題。現在我們寫的是 Java，該怎麼將以下的程式碼改寫為 Java？ 
sum [] = 0
sum (x:xs) = x + sum xs
Java 不支援模式匹配（Pattern match），我們可以使用 if 條件判斷來檢查清單物件是不是 Nil，因此可以如下定義一個 sum 方法： 
public static Integer sum(List<Integer> lt) {
    if(lt == Nil) return 0;
    else return lt.head() + sum(lt.tail());
}
在定義了 sum 方法之後，sum(list(1, 2, 3, 4, 5)) 就會傳回 15 的結果，看起來還不錯，接著想想看，怎麼定義一個 addOne 方法，可以對傳入清單中每個元素加一後傳回新清單呢？這個問題的其中一個子問題是，如果是空清單的話，結果會傳回什麼？就只是一個空清單！另一個子問題是，如果傳入的清單中，首元素為 x 而尾清單為 xs，要怎麼計算傳回的結果？對 x 加一，然後使用 xs 再次呼叫 addOne 方法，接著使用 con 方法將兩者的結果組為一個新清單。使用 Java 來描述這兩個子問題的話，結果會如下： 
public static List<Integer> addOne(List<Integer> lt) {
    if(lt == Nil) return nil();
    else return cons(lt.head() + 1, addOne(lt.tail()));
}
類似地，如果想定義一個方法，將清單中每個元素減 2 後傳回新清單，那麼就只要將程式碼中 (+ 1) 的部份改為 (- 2)，而方法名稱 addOne 改為 subtractTWO。如果想將清單中每個元素乘 3 後傳回新清單，則只要將程式碼中 (+ 1) 改為 (* 3)，並將方法名稱 addOne 改為 multiplyByThree。看出什麼了嗎？如果 (+ 1)、(- 2) 與 (* 3) 是可傳入的一級函式（First-class function），那麼這個程式碼流程樣版就可以重用，嗯？JDK8 的 Lambda 要導入的不就是一級函式？我們可以定義一個函式介面（Functional interface）如下： 
public interface F1<P, R> {
    R apply(P p);
}
在處理清單時，將清單映射為另一個新清單是常見的處理模式，可以定義一個 map 方法來做這個處理。 
public class AlgebraicType {
    ...
    public static <T, R> List<R> map(List<T> lt, F1<T, R> f) {
        if(lt == Nil) return nil();
        return cons(f.apply(lt.head()), map(lt.tail(), f));
    }
}
那麼，要對清單中每個元素加一的話，就可以這麼做： 
map(list(1, 2, 3, 4, 5), x -> x + 1);
要對清單中每個元素減二的話，就可以這麼做： 
map(list(1, 2, 3, 4, 5), x -> x - 2);
要對清單中每個元素乘三的話，就可以這麼做： 
map(list(1, 2, 3, 4, 5), x -> x * 3);
這種 map 方法很有用，可以有一百萬種使用方式。類似地，如果想將清單中大於 3 的元素過濾出來成為新清單呢？我們可以寫下如下的程式碼： 
public static List<Integer> greaterThanThree(List<Integer> lt) {
    if(lt == Nil) return nil();
    else {
        if(lt.head() > 3) {
            return cons(lt.head(), greaterThanThree(lt.tail()));
        }
        else {
            return greaterThanThree(lt.tail());
        }
    }
}
如果想將清單中小於 10 的元素過濾出來成為新清單呢？ 
public static List<Integer> smallerThanTen(List<Integer> lt) {
    if(lt == Nil) return nil();
    else {
        if(lt.head() < 10) {
            return cons(lt.head(), smallerThanTen(lt.tail()));
        }
        else {
            return smallerThanTen(lt.tail());
        }
    }
}
在處理清單時，對元素進行過濾以得到新清單，這是個常見處理模式，我們可以定義一個 filter 方法來做這件事： 
public class AlgebraicType {
    ...
    public static <T> List<T> filter(List<T> lt, F1<T, Boolean> f) {
        if(lt == Nil) return nil();
        else {
            if(f.apply(lt.head())) {
                return cons(lt.head(), filter(lt.tail(), f));
            }
            else {
                return filter(lt.tail(), f);
            }
        }
    }
}
接著，要過濾出清單中大於 3 的元素就可以這麼做： 
filter(list(1, 2, 3, 4, 5), x -> x > 3);
要過濾出清單中小於 10 的元素就可以這麼做： 
filter(list(10, 19, 3, 4, 5), x -> x < 10);
這個 filter 方法很有用，可以有一百萬種過濾方式。類似地，逐步消減清單元素以獲得某個值也是個常見模式，在定義處理用的方法之前，先來定義一個函式介面： 
public interface F2 {
    R apply(R r, P p);
}
接著，就可以如下定義一個 reduce 方法： 
public class AlgebraicType {
    ...
    public static <T, R> R reduce(List<T> lt, F2<T, R> f, R r) {
        if(lt == Nil) return r;
        else {
            return reduce(lt.tail(), f, f.apply(r, lt.head()));
        }
    }
}
那麼，對清單元素進行加總，就可以這麼做： 
reduce(list(1, 2, 3, 4, 5), (sum, x) -> sum + x, 0);
對於函數式程式設計的初學者來說，想瞭解 reduce 方法到底變了什麼把戲不是件容易的事。reduce 方法有時也稱為 foldLeft，它做的事情，就像是從左開始折紙一樣，reduce(list(1, 2, 3, 4, 5), (sum, x) -> sum + x, 0) 做的事情就如同以下的動畫一樣，一邊折紙，一邊將左邊的數字加到右邊，在完成折紙的動作之後，就可以得到最後的結果。
functional-programming-for-java-developers-reduce
這個 reduce 方法很有用，可以有一百萬中消減清單元素以求值的方式。
然而，這邊的重點在於，如果以函數式風格來編寫程式，你會很容易發覺函式間具有相近結構，因而能輕易地提煉為更高階的抽象以進行重用，這邊提到的 filter、map 與 reduce 就是個不錯的例子。一旦你能夠函數式地思考，你就能夠發現更多高階的抽象。