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Java 開發者的函數式程式設計（4）不可變特性

閲讀次數：6233 發表時間：2013/07/31

tags: Java Lambda Immutable Functional Programming

函數式程式設計的重要特性之一就是，變數不可變（Immutable）。技術上來說，純函數式語言沒有變數，例如，如果在 Haskell 寫下 x = 1，那麼就表示 x 代表 1，而不是說 x 目前儲存 1 這個值，而後還可以把它改為別的值之類的，你對 x 能做的事，就是透過 x 名稱來取值。

可變的（Mutable）變數會有什麼問題嗎？如果程式流程中有可變的變數，因為要改變它們的值太簡單了，反而使得問題難以切割為子問題；使用了非區域變數的方法可能有副作用，也就是說，在給定相同引數的情況下，方法可能傳回不同的結果，因為這些方法有看不到的輸入與輸出；如果物件狀態可變，物件就會是副作用的集合體，因為值域就相當於方法的非區域變數，追蹤變數的難度會提昇至追蹤物件狀態的層級，如果物件是運用在並行的場合，那麼要處理物件狀態的同步問題就會變得困難。

純函數式語言中，不可變是基本的特性，可強制我們將冗長的程式流程分解為較小的子流程；方法使用了不可變的非區域變數並不會有副作用，物件不會是副作用集合體，也就不會有執行緒同步處理的問題。

對於習慣命令式風格的程式設計者來說，要想像不可變的變數可能會有點難度，不過也沒有這麼困難。有發現嗎？在先前文章的範例中，我們沒有改變任何一個變數值或物件狀態。我們映射了首元素，然後將尾清單再傳給 map 方法，我們對首元素進行過濾，然後再將尾清單傳給 filter 方法，我們消化首元素，然後將尾清單又傳給 reduce 方法，我們並沒有改變任何變數值或物件狀態。

一旦你無法使用可變的變數，那麼程式流程就會發生變化。

例如，你無法使用迴圈，像是 for 或 while 迴圈。迴圈的問題在於，它們天生就具有副作用，迴圈中經常會修改變數值或物件狀態，程式設計者很容易在一個迴圈中修改變數個變數值或物件狀態，因而使得程式流程變得越來越複雜，也就是說，迴圈可能會同時間處理了數個子問題，使得迴圈本身成為邏輯泥塊（Logic clump）。

可以看到，一旦變數不可變，就會強制你將問題分解為子問題，這是因為你無從選擇，不可變特性是個強制找出邏輯泥塊的方式，並使用方法將之提煉出來，因此，你無法使用迴圈，遞迴會是較好的替代方案，你必須使用方法來封裝 if-else 陳述（Statement），因為 if-else 陳述天生就會修改變數。例如，若你撰寫了以下的程式碼…

String nickName = getNickName("Justin");
if(nickName == null) {
    nickName = "Guest";
}

則可以定義一個 getOrElse 方法來封裝 if 陳述：

static String getOrElse(String original, String replacement) {
    if(original == null) {
        return replacement;
    } else {
        return original;
    }
}

那麼，你就可以使用 getOrElse 方法來避免修改變數：

String nickName = getOrElse(getNickName("Justin"), "Guest");

事實上，Java 是有個語法，類似函數式語言中常用的 if-else 運算式（Expression），也就是三元運算子 ?:，雖然一般並不怎麼建議使用。如果真的想使用這個三元運算子的話，可以如下撰寫程式：

String name = getNickName("Justin");
String nickName = (name != null ? name : "Guest");

在 Java 開發者的函數式程式設計（1）中，我們看過《Functional Programming for Java Developers in Functional Programming》這本書第一章〈Why Function Programming?〉中列出的要點，因為現在我們已經知道什麼是代數資料型態，看過幾個 List 處理模式，也知道不可變特性了，現在可以稍微解釋一下那幾個要點的意義：