Java编程规范之：纯函数原理及应用详解
纯函数概念
纯函数是指在相同的输入条件下，每次执行函数都会返回相同的输出结果，并且不产生任何副作用（即不会修改输入参数或系统状态）。在函数式编程中，纯函数是非常重要的概念，因为它们在保证代码的可测试性、可读性和可维护性方面具有很大的优势。
以下是一个简单的纯函数示例：
public int add(int x, int y) {
return x + y;
}在上述代码中，add函数接收两个整数参数，并返回它们的和。add函数是一个纯函数，因为它不依赖于任何外部变量或状态，每次调用都会返回相同的输出结果。
同样的，下面这个方法也是一个纯函数：
public List<Integer> filter(List<Integer> list, Predicate<Integer> predicate) {
List<Integer> result = new ArrayList<>();
for (Integer i : list) {
if (predicate.test(i)) {
result.add(i);
}
}
return result;
}在上述代码中，filter函数接收一个整数列表和一个谓词（Predicate），并返回满足谓词条件的整数列表。filter函数是一个纯函数，因为它不依赖于任何外部变量或状态，每次调用都会返回相同的输出结果。
以下是一个不是纯函数的示例：
public int addWithSideEffect(int x, int y) {
int result = x + y;
System.out.println("The result is: " + result);
return result;
}在上述代码中，addWithSideEffect函数接收两个整数参数，并返回它们的和。**但是，addWithSideEffect函数还有一个副作用，即在计算结果之后输出一条消息。**因此，addWithSideEffect函数不是一个纯函数，因为它具有副作用。
同样的，下面这个方法也不是一个纯函数：
public void updateDatabase(int id, String name) {
try (Connection conn = DriverManager.getConnection(url, user, password);
PreparedStatement stmt = conn.prepareStatement("UPDATE users SET name=? WHERE id=?")) {
stmt.setString(1, name);
stmt.setInt(2, id);
stmt.executeUpdate();
} catch (SQLException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}在上述代码中，updateDatabase函数接收一个用户ID和一个新的用户名，并将用户名更新到数据库中。updateDatabase函数是一个非纯函数，因为它依赖于外部的数据库连接和状态，每次调用都会修改数据库中的数据。 因此，updateDatabase函数不是一个纯函数。
需要注意的是，纯函数可以接收任何类型的参数，包括对象、集合、函数等。只要函数在执行过程中不依赖于任何外部变量或状态，并且每次调用都会返回相同的输出结果，就可以认为它是一个纯函数。
什么是指方法的外部环境
在计算机程序中，函数或方法的执行可能会对程序的状态或环境产生影响，这种影响被称为副作用。外部环境就是指函数或方法执行时所依赖的、与函数或方法本身无关的、可能会影响函数或方法执行结果的环境。 这些环境通常包括：
- 全局变量
- 文件系统
- 网络连接
- 数据库连接
- 硬件设备等
一个纯函数应该只依赖于它的输入参数，而不依赖于外部环境，也不应该对外部环境产生任何可观测的影响。这是因为纯函数的输出结果只取决于输入参数，而不受外部环境的影响，这样可以方便地进行测试和重用，并且可以避免出现意外的副作用。
除了不依赖于外部变量或状态、每次调用返回相同输出结果的特点外，纯函数还有以下几个原理和概念：
- 可组合性（Compositionality）：纯函数可以自由地组合在一起，形成更复杂的函数，而不需要考虑它们的执行顺序或副作用的影响。这种组合性使得代码更加模块化、可复用性更高，也更容易进行测试和维护。
- 可缓存性（Memoization）：由于纯函数的输出结果只取决于输入参数，因此可以将函数的输入参数作为键存储到缓存中，这样在下次调用时就可以直接返回缓存中的结果，而不必重新计算。这种缓存技术可以提高函数的性能，同时也可以避免因为重复计算产生的副作用。
- 引用透明性（Referential Transparency）：由于纯函数不会修改输入参数或系统状态，因此在程序中可以将函数的调用结果替换为函数本身，而不会影响程序的行为。这种特性使得程序更加容易理解和推理，也更容易进行优化和并行化。
- 可测试性（Testability）：由于纯函数的输出结果只取决于输入参数，因此可以通过提供不同的输入参数来测试函数的各种行为。这种可测试性使得代码更加健壮和可靠。
总之，纯函数是函数式编程的核心概念之一，它通过保证函数的输入输出行为的可预测性和可重现性，使得程序更加模块化、可组合、可缓存、引用透明和可测试。这些特性使得函数式编程在处理大规模数据和并发编程方面具有很大的优势。
将非纯函数改造成纯函数的案例
当我们面对一个已经存在的代码库时，将其改造成为纯函数式的代码是一个非常有挑战的任务。以下是一个简单的示例，展示了如何将一个非纯函数改造成为纯函数的过程。
原始代码：
public class StringUtils {
public static String reverse(String str) {
String result = "";
for (int i = str.length() - 1; i >= 0; i--) {
result += str.charAt(i);
}
return result;
}
}这个StringUtils类提供了一个静态方法reverse，它接受一个字符串参数，并返回反转后的字符串。这个方法在每次循环时都会修改result变量，每次循环时，都会创建一个新的String对象，并将其分配到堆内存中。因此它对外部环境（即堆内存）产生了副作用。 因此它是一个非纯函数。
下面是如何将这个方法改造成为纯函数：
public class StringUtils {
public static String reverse(String str) {
StringBuilder builder = new StringBuilder(str.length());
for (int i = str.length() - 1; i >= 0; i--) {
builder.append(str.charAt(i));
}
return builder.toString();
}
}这个改进后的reverse方法使用了StringBuilder来构建反转后的字符串，并将其返回。相比之下，使用StringBuilder来构建字符串是一个更好的选择，因为StringBuilder是可变的，它将新的字符附加到现有的字符串中，而不是每次都创建一个新的字符串对象。 这样可以避免不必要的内存分配和垃圾回收，提高程序的性能。虽然StringBuilder也会对外部环境产生影响，但这种影响是可控的，并且很少会对程序的性能产生负面影响。因此，使用StringBuilder来构建字符串是一个更好的选择，可以将方法改造成为纯函数。因此这个方法现在是一个纯函数。
