从Java走进Scala:面向对象的函数编程

您永远不会忘记您的初恋！

对于我来说，她的名字是 Tabinda (Bindi) Khan。那是一段愉快的少年时光，准确地说是在七年级。她很美丽、聪明，而最好的是，她常常因我的笨拙的笑话而乐不可支。在七年级和八年级的时间里，我们经常 “出去走走”（那时我们是这么说的）。但到了九年级，我们分开了，文雅一点的说法是，她厌倦了连续两年听到同样的笨拙的男孩笑话。我永远都不会忘记她（特别是因为我们在高中毕业 10 周年聚会时再次相遇）；但更重要的是，我将永远不会失去这些珍贵的（也许有点言过其实）回忆。

Java 编程和面向对象是许多程序员的 “初恋”，我们对待它就像对待 Bindi 一样尊重和完全的爱慕。一些开发人员会告诉您 Java 将他们从内存管理和 C++ 的炼狱中解救出来了。其他一些人会告诉您 Java 编程使他们摆脱了对过程性编程的绝望。甚至对于一些开发人员来说，Java 代码中的面向对象编程就是 “他们做事情的方式”。（嘿嘿，如果这对我爸爸，以及爷爷有用该多好！）

然而，时间最终会冲淡所有对初恋的记忆，生活仍然在继续。感情已经变了，故事中的主角也成熟了（并且学会了一些新笑话）。但最重要的是，我们周围的世界变了。许多 Java 开发人员意识到尽管我们深爱 Java 编程，但也应该抓住开发领域中的新机会，并了解如何利用它们。

我将始终爱着你 ……

在最近五年中，对 Java 语言的不满情绪逐渐增多。尽管一些人可能认为 Ruby on Rails 的发展是主要因素，但是我要争辩的是，RoR（被称为 Ruby 专家）只是结果，而非原因。或者，可以更准确地说，Java 开发人员使用 Ruby 有着更深刻、更隐伏的原因。

简单地说，Java 编程略显老态了。

或者，更准确地说，Java 语言 略显老态了。

考虑一下：当 Java 语言最初诞生时，Clinton（第一位）在办公室中，很少有人使用 Internet，这主要是因为拨号是在家里使用网络的惟一方式。博客还没有发明出来，每个人相信继承是重用的基本方法。我们还相信，对象是为对世界进行建模的最好方法，摩尔定律将永远统治着世界。

实际上，摩尔定律引起了行业内许多人的特别关注。自 2002/2003 年以来，微处理器技术的发展使得具有多个 “内核” 的 CPU 得以创造出来：本质上是一个芯片内具有多个 CPU。这违背了摩尔定律，摩尔定律认为 CPU 速度将每隔 18 个月翻一倍。在两个 CPU 上同时执行多线程环境，而不是在单个 CPU 上执行标准循环周期，这意味着代码必须具有牢固的线程安全性，才能存活下来。

学术界已经展开了围绕此问题的许多研究，导致了过多新语言的出现。关键问题在于许多语言建立在自己的虚拟机或解释器上，所以它们代表（就像 Ruby 一样）到新平台的转换。并发冲突是真正的问题所在，一些新语言提供了强大的解决方案，太多的公司和企业对 10 年前从 C++ 到 Java 平台的迁移仍记忆犹新。许多公司都不愿意冒迁移到新平台的风险。事实上，许多公司对上一次迁移到 Java 平台仍心有余悸。

了解 Scala。

一种可伸缩语言

Scala 是一种函数对象混合的语言，具有一些强大的优点：

首先，Scala 可编译为 Java 字节码，这意味着它在 JVM 上运行。除了允许继续利用丰富的 Java 开源生态系统之外，Scala 还可以集成到现有的 IT 环境中，无需进行迁移。
其次，Scala 基于 Haskell 和 ML 的函数原则，大量借鉴了 Java 程序员钟爱的面向对象概念。因此，它可以将两个领域的优势混合在一起，从而提供了显著的优点，而且不会失去我们一直依赖的熟悉的技术。
最后，Scala 由 Martin Odersky 开发，他可能是 Java 社区中研究 Pizza 和 GJ 语言的最著名的人，GJ 是 Java 5 泛型的工作原型。而且，它给人一种 “严肃” 的感觉；该语言并不是一时兴起而创建的，它也不会以同样的方式被抛弃。
Scala 的名称表明，它还是一种高度可伸缩 的语言。我将在本系列的后续文章中介绍有关这一特性的更多信息。

下载并安装 Scala

将 Scala 安装到所选的目标目录中 ― 我是在 Windows® 环境中撰写本文的，所以我的目标目录是 C:/Prg/scala-2.6.1-final。将环境变量 SCALA_HOME 定义为此目录，将 SCALA_HOME\bin 放置于 PATH 中以便从命令行调用。要测试安装，从命令行提示符中激发 scalac -version。它应该以 Scala 版本 2.6.1-final 作为响应。

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，可以 跳到下一节。

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。

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”：

清单 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。

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。

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。）

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