Java Python JS 流式编程（链式编程）

Java \ Python \ JS 流式编程（链式编程）

前言

我们学习编程通常是从命令式编程起步的。比如说计算1~100的平方和，我们会这样写：

let result = 0
for (let i = 1; i <= 100; i++) {
    result += i * i
}

这样写的好处是逻辑清楚，每一条语句的作用显而易见。但是随着代码量越来越多，其缺陷也渐渐凸显出来。

• 冗余代码过多。比如求和、统计这样的功能，很多地方都会用到，然而又不得不重复写。
• 多线程下的并发安全。命令式编程在多线程环境下需要特别注意并发安全，因为命令式编程多为可变对象。
• 代码不够优雅。一段代码中有很多无关紧要的变量，如临时的result，循环用的i，都是不必要的，会影响代码的可读性。

此时，便引出了另一种编程方法： 流式编程。流式编程和链式编程属于同一种东西，所以本文统一称为流式编程。本文不会深入讲解流式编程的底层实现，而是让大家能快速理解流式编程的思想，并上手写出简洁的代码。

流式编程

什么是流式编程？

一句话描述流式编程： 基于集合变换的编程。

那么什么是集合变换？又该怎么变换呢？

基本思想：集合变换

先来看一个例子： 找出一个数组中大于100的数。如果用面向过程的思想，我们会怎么做呢？

1. 遍历数组
2. 如果该数大于100，则把数追加到新的数组

const raw = [1, 2, 5, 100, 121]
let result = []
for (const e of raw) {
    if (e > 100) {
        result.push(e)
    }
}

这是我们从学习编程之初就形成的思维，现在我们从更高的抽象角度理解这个问题：

raw --过滤--> result从原始数据到结果，实际上就是对原始集合进行了过滤的操作，留下大于100的数。因此，上面的代码可以这样改写：

const raw = [1, 2, 5, 100, 121]
const result = raw.filter(e => e > 100)

是不是变得十分简洁？其中的filter是过滤函数，es6数组自带的操作。不光是JS，python\java等很多语言都集成了流式编程的基本功能，我们可以很方便地实现各种高级功能。

高阶函数： map, reduce, filter

这三个操作是流式编程里面用的最广泛的，还有groupBy、collect等操作留给读者自行研究

• map, 元素映射。其作用是将原集合的每个元素，通过一个操作映射到目标集合。举个例子，求一个数组的平方，用map操作就是这样的：

  const raw = [1, 2, 3]
  const res = raw.map(e => e * e)  // [1, 4, 9]
  

  其底层实现是遍历每个元素，然后追加到新的数组里。

• reduce, 元素合并。其作用是迭代地对两个元素进行合并操作。比如求一个数组的和，便可以这样写：

  const raw = [1, 2, 3]
  const sum = raw.reduce((x, y) => x + y) // 6
  

  其底层实现是遍历每个元素，两两合并，然后将结果与下一个元素进行合并。

  如： 1. temp = x[0] + x[1] 2. temp = temp + x[2] 3. temp = temp + x[3] …

• filter,元素过滤。其作用是将满足条件的元素留存到另一个集合，比如求数组中小于100的数：

  const raw = [1, 2, 3]
  const res = raw.filter(e => e < 100)
  

  其底层操作是遍历+if判断

链式编程，流动起来

流式编程还有另一个特点，那就是流函数执行之后，返回的也是一个流。这样的话，就可以完成更复杂的工作了。比如求数组中超过100，且其平方小于50000的平方和。用命令式写法咋写呢？

const raw = [1, 2, 4, 100, 122, 444]
let res = 0
for (const e of raw) {
    if (e > 100 && e * e < 50000) {
        res += e * e
    }
}

虽然代码不多，但是各种判断混合在一起，影响整个代码逻辑的表达

那么用集合变换的思想，不难抽象为以下三步：

1. 超过100的数 -> 过滤
2. 平方 -> 映射
3. 平方小于50000 -> 过滤
4. 和 -> 合并

于是，用一句话便可以完成这个功能：

const raw = [1, 2, 100, 123]
const sum = (x, y) => x * y // 求和函数
// [raw] --> [大于100] --> [平方] --> [平方小于50000] --> [和]
const res = raw.map(e => e > 100).map(e => e * e).filter(e => e < 50000).reduce(sum)

优势

流式编程有几大优势

1. 逻辑清晰，代码优雅 这是流式编程的最大优点，因为其每一步都是描述形式的，仅从所用的函数便能知道其作用。比如看到filter就知道是在做过滤。
2. 不可变集合，更安全 流式编程，乃至函数式编程，都提倡不可变集合(本文中大量使用的const)，这样每一步操作都是无副作用的，调试起来更简单。
3. 更方便并行 有了2中的不可变集合的特点，流式编程可以很方便地实现数据并行，而不用考虑并发安全（不可变数据是并发安全的）。Java里的parallelStream便是并行流的实现。

缺点

有优势便必然有劣势

1. 不是万能的。 没有一种技术或者方法是万能的，流式编程也一样。其优势主要在于数据处理、变换，而对于抽象层度不高的场合，并不适用。所以最佳实践是，在需要数据的变换时，用流式编程，其他场合用命令式编程。
2. 开销较大。 因为使用了不可变集合，则意味着运行过程中会产生更多的中间对象，增加GC的负担。

各个语言的流式编程实现

• Java。 java8开始有了Stream和lambda表达式，用Stream和ParallelStream(并行版本)与lambda表达式(匿名函数)可以很方便地实现流式编程。

  https://www.runoob.com/java/java8-streams.html

• Python。python 原生的 列表推导式可以实现集合变换，但无法实现链式操作，因此不是很高效。我比较推荐 PyFunctional这个库，其包含了 map、reduce、filter这些基本的操作，还提供了 groupBy(聚合) 这类的高级函数。

  https://scalafunctional.readthedocs.io/en/master/functional.html#streams-api

• JS。js的Array自带map、reduce、fiter等函数，groupBy等需要自己扩展

  https://www.runoob.com/jsref/jsref-obj-array.html