Java 語(yǔ)言是否應(yīng)增加閉包以及如何添加？

在跨越邊界 系列最近的一篇文章中，我的朋友兼同事 Bruce Tate 以 Ruby 為例描述了閉包的強(qiáng)大功能。最近在安特衛(wèi)普召開的 JavaPolis 會(huì)議上，聽眾人數(shù)最多的演講是 Neal Gafter 的 “向 Java 語(yǔ)言增加閉包特性”。在 JavaPolis 的公告欄上，與會(huì)者可以寫下和 Java 技術(shù)有關(guān)(或者無關(guān))的想法，其中將近一半和關(guān)于閉包的爭(zhēng)論有關(guān)。最近似乎 Java 社區(qū)的每個(gè)人都在討論閉包——雖然閉包這一業(yè)已成熟的概念早在 Java 語(yǔ)言出現(xiàn)的 20 年之前就已經(jīng)存在了。

本文中，我的目標(biāo)是介紹關(guān)于 Java 語(yǔ)言閉包特性的種種觀點(diǎn)。本文首先介紹閉包的概念及其應(yīng)用，然后簡(jiǎn)要說明目前提出來的相互競(jìng)爭(zhēng)的一些方案。

閉包：基本概念

閉包是可以包含自由(未綁定)變量的代碼塊；這些變量不是在這個(gè)代碼塊或者任何全局上下文中定義的，而是在定義代碼塊的環(huán)境中定義。“閉包” 一詞來源于以下兩者的結(jié)合：要執(zhí)行的代碼塊(由于自由變量的存在，相關(guān)變量引用沒有釋放)和為自由變量提供綁定的計(jì)算環(huán)境(作用域)。在 Scheme、Common Lisp、Smalltalk、Groovy、JavaScript、Ruby 和 Python 等語(yǔ)言中都能找到對(duì)閉包不同程度的支持。

閉包的價(jià)值在于可以作為函數(shù)對(duì)象 或者匿名函數(shù)，對(duì)于類型系統(tǒng)而言這就意味著不僅要表示數(shù)據(jù)還要表示代碼。支持閉包的多數(shù)語(yǔ)言都將函數(shù)作為第一級(jí)對(duì)象，就是說這些函數(shù)可以存儲(chǔ)到變量中、作為參數(shù)傳遞給其他函數(shù)，最重要的是能夠被函數(shù)動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建和返回。比如下面清單 1 所示的 Scheme 例子(摘自 SICP 3.3.3)：

清單 1. Scheme 編程語(yǔ)言的函數(shù)示例，該函數(shù)接受另一個(gè)函數(shù)作為參數(shù)并返回緩存后的函數(shù)

(define (memoize f) (let ((table (make-table))) (lambda (x) (let ((previously-computed-result (lookup x table))) (if (not (null? previously-computed-result)) previously-computed-result (let ((result (f x))) (insert! x result table) result))))))

上述代碼定義了一個(gè)叫做 memoize 的函數(shù)，接受函數(shù) f 作為其參數(shù)，返回和 f 計(jì)算結(jié)果相同的另一個(gè)函數(shù)，不過新函數(shù)將以前的計(jì)算結(jié)果保存在表中，這樣讀取結(jié)果更快。返回的函數(shù)使用 lambda 結(jié)構(gòu)創(chuàng)建，該結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建新的函數(shù)對(duì)象。斜體顯示的標(biāo)識(shí)符在新定義函數(shù)中是自由的，它們的值在創(chuàng)建該函數(shù)的環(huán)境中綁定。比如，用于存儲(chǔ)緩存數(shù)據(jù)的表變量在調(diào)用 memoize 的時(shí)候創(chuàng)建，由于被新建的函數(shù)引用，因此直到垃圾回收器回收結(jié)果函數(shù)的時(shí)候才會(huì)被收回。如果調(diào)用結(jié)果函數(shù)時(shí)帶有參數(shù) x ，它首先檢查是否已經(jīng)計(jì)算過 f(x)。是的話返回已經(jīng)得到的 f(x)，否則計(jì)算 f(x) 并在返回之前保存到表中以備后用。

閉包為創(chuàng)建和操縱參數(shù)化的計(jì)算提供了一種緊湊、自然的方式。可以認(rèn)為支持閉包就是提供將 “代碼塊” 作為第一級(jí)對(duì)象處理的能力：能夠傳遞、調(diào)用和動(dòng)態(tài)創(chuàng)建新的代碼塊。要完全支持閉包，這種語(yǔ)言必須支持在運(yùn)行時(shí)操縱、調(diào)用和創(chuàng)建函數(shù)，還要支持函數(shù)可以捕獲創(chuàng)建這些函數(shù)的環(huán)境。很多語(yǔ)言僅提供了這些特性的一個(gè)子集，具備閉包的部分但不是全部?jī)?yōu)勢(shì)。關(guān)于是否要在 Java 語(yǔ)言中增加閉包，關(guān)鍵問題在于提高表達(dá)能力所帶來的益處能否與更高的復(fù)雜性所帶來的代價(jià)相抵消。

匿名類和函數(shù)指針

C 語(yǔ)言提供了函數(shù)指針，允許將函數(shù)作為參數(shù)傳遞給其他函數(shù)。但是，C 中的函數(shù)不能有自由變量：所有變量在編譯時(shí)必須是已知的，這就降低了函數(shù)指針作為一種抽象機(jī)制的表達(dá)能力。

Java 語(yǔ)言提供了內(nèi)部類，可以包含對(duì)封閉對(duì)象字段的引用。該特性比函數(shù)指針更強(qiáng)大，因?yàn)樗试S內(nèi)部類實(shí)例保持對(duì)創(chuàng)建它的環(huán)境的引用。乍看起來，內(nèi)部類似乎確實(shí)提供了閉包的大部分作用，雖然這還不是全部作用。您可以很容易構(gòu)造一個(gè)名為 UnaryFunction 的接口，并創(chuàng)建能夠緩存任何 unary 函數(shù)的緩存包裝程序。但是這種方法通常不易于實(shí)現(xiàn)，它要求與函數(shù)交互的所有代碼在編寫時(shí)都必須知道這個(gè)函數(shù)的 “框架”。

閉包作為一種模式模板

匿名類允許創(chuàng)建這樣的對(duì)象，該對(duì)象能夠捕獲定義它們的一部分環(huán)境，但是對(duì)象和代碼塊不一樣。以一個(gè)常見的編碼模式為例，如執(zhí)行帶有 Lock 的代碼塊。如果需要遞增帶有 Lock 的計(jì)數(shù)器，代碼如清單 2 所示——即使這么簡(jiǎn)單的操作也非常羅嗦：

清單 2. 執(zhí)行加鎖代碼塊的規(guī)范用法

lock.lock();try { ++counter;}finally { lock.unlock();}

如果能夠提取出加鎖管理代碼就好了，這樣會(huì)使代碼看起來更緊湊，也不容易出錯(cuò)。首先可以創(chuàng)建如清單 3 所示的 withLock() 方法：

清單 3. 提取了 “加鎖執(zhí)行” 的概念，但是問題在于缺乏異常的透明性

public static void withLock(Lock lock, Runnable r) { lock.lock(); try { r.run(); } finally { lock.unlock(); }}

不幸的是，這種方法只能達(dá)到您預(yù)期的部分目標(biāo)。創(chuàng)建這種抽象代碼的目標(biāo)之一是使代碼更緊湊；但是，匿名內(nèi)部類的語(yǔ)法不是很緊湊，調(diào)用代碼看起來如清單 4 所示：

清單 4. 清單 3 中 withLock() 方法的客戶端代碼

withLock(lock, new Runnable() { public void run() { ++counter; }});

要遞增一個(gè)加鎖的計(jì)數(shù)器仍然需要編寫很多代碼！另外，將受到鎖保護(hù)的代碼塊轉(zhuǎn)化成方法調(diào)用所帶來的抽象問題大大增加了問題的復(fù)雜性——如果受保護(hù)的代碼塊拋出一個(gè)檢測(cè)異常怎么辦？現(xiàn)在我們不能使用 Runnable 來表示執(zhí)行的任務(wù)，而必須創(chuàng)建一種新的表示方法以允許在方法調(diào)用中拋出異常。不幸的是，在這里泛化也幫不上多少忙，雖然方法可以用泛型參數(shù) E， 表示可能拋出的檢測(cè)異常，但是這種方法不能很好地泛化拋出多種檢測(cè)異常類型的方法(這就是為何 Callable 中的 call() 方法聲明為拋出 Exception 而不是用類型參數(shù)指定一個(gè)類型的原因)。清單 3 中的方法最大的問題在于缺乏異常透明性，除此之外，還存在其他非透明性的問題，在 清單 4 的 Runnable 上下文中，return 或 break 這類語(yǔ)句的含義，與 清單 2 中 try 語(yǔ)句塊中的一般意義不同。

理想情況下，受保護(hù)的遞增操作應(yīng)該像清單 5 所示的那樣，并且塊中代碼的含義和 清單 2 的擴(kuò)展形式相同：

清單 5. 清單 3 客戶端代碼的理想形式(但是是假設(shè)形式)

withLock(lock, { ++counter; });

在語(yǔ)言中添加閉包以后，就可以創(chuàng)建行為類似控制流結(jié)構(gòu)的方法，比如 “加鎖執(zhí)行這段代碼”、“操作流并在完成后將其關(guān)閉” 或者 “為代碼塊的執(zhí)行計(jì)時(shí)” 等。這種策略有可能簡(jiǎn)化某些類型的代碼，這些代碼反復(fù)使用特定編碼模式或者慣用法，比如 清單 2 所示的加鎖用法。(在一定程度上提供類似表達(dá)能力的另一種技術(shù)是 C 預(yù)處理器，它可以將 withLock() 操作用預(yù)處理宏表示，雖然和閉包相比宏更難以組織，而且安全性也更差。)

泛化算法的閉包

閉包能夠大大簡(jiǎn)化代碼的另一個(gè)地方是泛化算法的使用。隨著多處理器計(jì)算機(jī)越來越便宜，利用小粒度并行機(jī)制的重要性日漸突出。使用泛化算法定義計(jì)算為庫(kù)實(shí)現(xiàn)在問題空間中采用并行機(jī)制提供了一種自然的方式。

比方說，假設(shè)要計(jì)算一個(gè)大型數(shù)字集合的平方和。清單 6 給出了一種計(jì)算方法，但這種方法是按順序計(jì)算結(jié)果的，對(duì)于大規(guī)模多處理器系統(tǒng)可能不是效率最高的方法：

清單 6. 順序計(jì)算平方和

double sum;for (Double d : myBigCollection) sum += d*d;

每次循環(huán)迭代有兩個(gè)操作：取平方，累加到最終結(jié)果。平方操作是互相獨(dú)立的，可以并行執(zhí)行；加法操作也不一定要執(zhí)行 N 次，如果計(jì)算組織得當(dāng)，只要 log(N) 次操作即可完成。

清單 6 中的操作是 map-reduce 算法的一個(gè)示例，對(duì)大批數(shù)據(jù)元素中的每一個(gè)數(shù)據(jù)元素應(yīng)用一個(gè)函數(shù)，然后將每次應(yīng)用該函數(shù)計(jì)算出的結(jié)果通過某種累加函數(shù)累加起來。假設(shè)有一個(gè) map-reduce 實(shí)現(xiàn)過程接受數(shù)據(jù)集作為輸入，用一元函數(shù)處理每個(gè)元素，用二元函數(shù)累加結(jié)果，則可用清單 7 所示的代碼完成平方和運(yùn)算：

清單 7. 使用 MapReduce 計(jì)算平方和，可以實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行

Double sumOfSquares = mapReduce(myBigCollection, new UnaryFunction { public Double apply(Double x) { return x * x; } }, new BinaryFunction { public Double apply(Double x, Double y) { return x + y; } });

假設(shè)清單 7 中的 mapReduce() 實(shí)現(xiàn)知道哪些操作可以并行執(zhí)行，因而可以將函數(shù)應(yīng)用和累加過程并行執(zhí)行，從而改進(jìn)并行系統(tǒng)的吞吐量。但是清單 7 中的代碼不簡(jiǎn)潔，用了更多代碼來表達(dá)和清單 6 中三行代碼等價(jià)的泛化算法。

通過閉包可以更好地管理清單 7 中的代碼。比如，清單 8 中的閉包語(yǔ)法和目前提出的 Java 語(yǔ)言閉包方案都不一樣，目的僅在于說明閉包對(duì)泛化算法的支持：

清單 8. 使用 MapReduce 和假設(shè)的閉包語(yǔ)法計(jì)算平方和

sumOfSquares = mapReduce(myBigCollection, function(x) {x * x}, function(x, y) {x + y});

清單 8 中基于閉包的算法具有兩方面的好處：代碼容易閱讀和編寫，抽象層次比順序循環(huán)更高，能夠有效地通過庫(kù)實(shí)現(xiàn)并行。

閉包方案

目前至少提出了兩種向 Java 語(yǔ)言增加閉包的方案。其一，綽號(hào)為 “BGGA”(名字源于其作者 Gilad Bracha、Neal Gafter、James Gosling 和 Peter von der Ahe)，它擴(kuò)展了類型系統(tǒng)，引入了 function 類型。其二，綽號(hào)為 “CICE” (代表 Concise Inner Class Expressions，簡(jiǎn)潔內(nèi)部類表示)，是由 Joshua Bloch、Doug Lea 和 “瘋狂的” Bob Lee 所支持的，其目標(biāo)更謙虛：簡(jiǎn)化匿名內(nèi)部類實(shí)例的創(chuàng)建。 JSR 可能很快就會(huì)收到這方面的提議，考慮在未來的 Java 語(yǔ)言版本中支持閉包的形式和程度。

BGGA 方案

BGGA 方案提出了 function 類型的概念，即函數(shù)都帶有一個(gè)類型參數(shù)列表、返回類型和 throws 子句。在 BGGA 方案中，計(jì)算平方和的代碼將如清單 9 所示：

清單 9. 使用 BGGA 閉包語(yǔ)法計(jì)算平方和

sumOfSquares = mapReduce(myBigCollection, { Double x => x * x }, { Double x, Double y => x + y });

=> 字符到左側(cè)花括號(hào)之間的代碼表示參數(shù)的名稱和類型，右側(cè)的代碼表示定義的匿名函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。這段代碼可以引用塊中定義的局部變量、閉包的參數(shù)以及創(chuàng)建閉包的作用域中的變量。

在 BGGA 方案中，可以聲明 function 類型的變量、方法參數(shù)和方法返回值。在需要一個(gè)抽象方法類(如 Runnable 或 Callable)實(shí)例的任何上下文中都可以使用閉包，對(duì)于匿名類型的閉包，您可以使用帶有給定參數(shù)列表的 invoke() 方法來調(diào)用。

BGGA 方案的主要目標(biāo)之一是允許程序員創(chuàng)建行為類似控制結(jié)構(gòu)的方法。因此，BGGA 還在語(yǔ)法上提出了一些吸引人的花招，允許像新的關(guān)鍵字那樣調(diào)用接受閉包的方法，從而能夠創(chuàng)建像 withLock() 或 forEach() 這樣的方法，然后向控制原語(yǔ)一樣調(diào)用它們。清單 10 說明了根據(jù) BGGA 方案如何定義 withLock() 方法，清單 11 和 清單 12 說明了如何調(diào)用該方法，包括標(biāo)準(zhǔn)形式和“控制結(jié)構(gòu)”形式：

清單 10. 采用 BGGA 閉包方案編寫的 withLock() 方法

public static T withLock(Lock lock, {=>T throws E} block) throws E { lock.lock(); try { return block.invoke(); } finally { lock.unlock(); }}

清單 10 中的 withLock() 方法接受鎖和閉包。閉包的返回類型和 throws 子句是泛化參數(shù)，編譯器中的類型推斷通常允許在未指定 T 和 E 值的情況下調(diào)用，如清單 11 和 12 所示：

清單 11. 調(diào)用 withLock()

withLock(lock, {=> System.out.println("hello");});

清單 12. 使用控制結(jié)構(gòu)的縮寫形式調(diào)用 withLock()

withLock(lock) { System.out.println("hello");}

和泛化一樣，BGGA 方案中閉包的復(fù)雜性在很大程度上是由庫(kù)的編寫者來分擔(dān)的，使用接受閉包的庫(kù)方法更簡(jiǎn)單。

使用內(nèi)部類實(shí)例是閉包所帶來的好處，但是這種方法缺少透明性，BGGA 方案在一定程度上還有助于解決這個(gè)問題。比如，return、 break 和 this 在某一代碼塊中的語(yǔ)義與其在 Runnable(或其他內(nèi)部類實(shí)例)中同一代碼塊中的語(yǔ)義是不同的。為了利用泛化算法而對(duì)代碼進(jìn)行移值的時(shí)候，這些不透明因素可能會(huì)造成混亂。

CICE 方案

CICE 方案要簡(jiǎn)單得多，它解決了實(shí)例化內(nèi)部類實(shí)例不太靈活的問題。它沒有建立函數(shù)類型的概念，只不過為一個(gè)抽象方法(如 Runnable、Callable 或 Comparator)內(nèi)部類實(shí)例化提出了一種更緊湊的語(yǔ)法。

清單 13 說明了按照 CICE 如何計(jì)算平方和。它顯示使用了 mapReduce() 中的 UnaryFunction 和 BinaryFunction 類型。mapReduce() 的參數(shù)是從 UnaryFunction 和 BinaryFunction 派生的匿名類，這種語(yǔ)法大大了降低了創(chuàng)建匿名實(shí)例的冗余。

清單 13. 采用 CICE 閉包方案計(jì)算平方和的代碼

Double sumOfSquares = mapReduce(myBigCollection, UnaryFunction(Double x) { return x*x; }, BinaryFunction(Double x, Double y) { return x+y; });

由于為傳遞給 mapReduce() 的函數(shù)所創(chuàng)建的對(duì)象是普通的匿名類實(shí)例，其函數(shù)體可以引用封閉域中定義的變量，清單 13 中的方法和清單 7 相比，唯一的區(qū)別在于語(yǔ)法的繁簡(jiǎn)程度。

結(jié)束語(yǔ)

BGGA 方案為 Java 這種語(yǔ)言增加了功能強(qiáng)大的新武器，但是同時(shí)也為其語(yǔ)義和語(yǔ)法帶來了可以預(yù)見的復(fù)雜性。另一方面，CICE 方案更簡(jiǎn)單：利用語(yǔ)言中已有的特性并使其更易于使用，但是沒有增加重要的新功能。閉包是一種強(qiáng)大的抽象機(jī)制，用過之后多數(shù)人不愿意放棄。(問問那些熟悉 Scheme、Smalltalk 或 Ruby 編程的朋友對(duì)閉包的感想如何，他們可能會(huì)反問您對(duì)呼吸有什么感想。)但語(yǔ)言是有機(jī)的整體，為語(yǔ)言增加最初設(shè)計(jì)時(shí)沒有預(yù)料到的新特性充滿了危險(xiǎn)，而且會(huì)增加語(yǔ)言的復(fù)雜性。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)不在于閉包是否有用——因?yàn)榇鸢革@然是肯定的——而在于為閉包重新改造 Java 語(yǔ)言的好處是否抵得上要付出的代價(jià)。

總結(jié)

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