1. 概述
在本教程中，我们将使用Java讨论Monad及其定义。这个想法是为了理解这个概念，它解决了什么问题，以及Java语言是如何实现它的。
最后，我们希望人们能够理解Monad以及如何充分利用它。
2. 概念
Monad是函数式编程世界中流行的一种设计模式。然而，它实际上起源于一个叫做范畴论的数学领域。本文将重点介绍Monad对软件工程领域的定义。尽管这两个定义有很多相似之处，但软件定义和该领域的行话更符合我们的上下文。
简而言之，一个通用的概念是一个对象，它可以根据变换将自己映射到不同的结果。
3. 设计模式
Monad是封装值和计算的容器或结构,它们必须具有两个基本操作：
- Unit：monads代表一种包装给定值的类型，这个操作负责包装值。例如，在Java中，此操作可以通过利用泛型就可以接受来自不同类型的值
- Bind：此操作允许使用保存的值执行转换并返回一个新的monad值(monad类型中的值包装)
尽管如此，还是有一些monad必须遵守的属性：
- Left identity：当应用于monad时，它应该产生与将转换应用于持有值相同的结果
- Right identity：发送monad转换(将值转换为monad)时，yield结果必须与将值包装在新的monad中相同
- Associativity：链接转换时，转换的嵌套方式无关紧要
函数式编程的挑战之一是允许在不损失可读性的情况下对此类操作进行流水线处理，这是采用monad概念的原因之一。Monad是函数式范例的基础，有助于实现声明式编程。
4. Java解释
Java 8通过像Optional这样的类实现了Monad设计模式。不过，我们先来看一段添加Optional类之前的代码：
public class MonadSample1 {
// ...
private double multiplyBy2(double n) {
return n * 2;
}
private double divideBy2(double n) {
return n / 2;
}
private double add3(double n) {
return n + 3;
}
private double subtract1(double n) {
return n - 1;
}
public double apply(double n) {
return subtract1(add3(divideBy2(multiplyBy2(multiplyBy2(n)))));
}
// ...
}
class MonadSampleUnitTest {
// ...
@Test
void whenNotUsingMonad_shouldBeOk() {
MonadSample1 test = new MonadSample1();
assertEquals(6.0, test.apply(2), 0.000);
}
// ...
}
正如我们所观察到的，apply方法看起来很难阅读，但有什么替代方法呢？也许是以下内容：
public class MonadSample2 {
// ...
public double apply(double n) {
double n1 = multiplyBy2(n);
double n2 = multiplyBy2(n1);
double n3 = divideBy2(n2);
double n4 = add3(n3);
return subtract1(n4);
}
// ...
}
class MonadSampleUnitTest {
// ...
@Test
void whenNotUsingMonadButUsingTempVars_shouldBeOk() {
MonadSample2 test = new MonadSample2();
assertEquals(6.0, test.apply(2), 0.000);
}
// ...
}
这似乎更好，但它看起来仍然过于冗长。那么让我们看看使用Optional会是什么样子：
public class MonadSample3 {
// ...
public double apply(double n) {
return Optional.of(n)
.flatMap(value -> Optional.of(multiplyBy2(value)))
.flatMap(value -> Optional.of(multiplyBy2(value)))
.flatMap(value -> Optional.of(divideBy2(value)))
.flatMap(value -> Optional.of(add3(value)))
.flatMap(value -> Optional.of(subtract1(value)))
.get();
}
// ...
}
class MonadSampleUnitTest {
// ...
@Test
void whenUsingMonad_shouldBeOk() {
MonadSample3 test = new MonadSample3();
assertEquals(6.0, test.apply(2), 0.000);
}
// ...
}
上面的代码看起来更干净。另一方面，这种设计允许开发人员根据需要应用任意数量的后续转换，而不会牺牲可读性和减少临时变量声明的冗长。
还有更多; 想象一下，如果这些函数中的任何一个可以产生空值。在这种情况下，我们将不得不在每次转换之前添加验证，从而使代码更加冗长。这实际上是Optional类的主要目的。这个想法是为了避免使用null并提供一种易于使用的方法来将转换应用于对象，以便当它们不为null时，将以空安全的方式执行一系列声明。也可以检查Optional包装的值是否为空(值为null)。
4.1 Optional注意事项
正如开头所描述的，Monads需要有一些操作和属性，因此让我们在Java实现中看一下这些属性。首先，为什么不检查Monad必须具有的操作：
- 对于Unit操作，Java提供了不同的风格，例如Optional.of()和Optional.nullable()。正如我们想象的那样，一个接受空值，而另一个不接受
- 至于Bind函数，Java提供了Optional.flatMap()操作，在代码示例中介绍
一个不在Monad定义中的特性是map操作，它是一种类似于flatMap的转换和链式操作。两者之间的区别在于map操作接收一个转换，该转换返回一个原始值，由API在内部包装。而flatMap已经返回一个包装值，API返回该值以形成管道。
现在，让我们检查一下Monad的属性：
public class MonadSample4 {
// ...
public boolean leftIdentity() {
Function<Integer, Optional> mapping = value -> Optional.of(value + 1);
return Optional.of(3).flatMap(mapping).equals(mapping.apply(3));
}
public boolean rightIdentity() {
return Optional.of(3).flatMap(Optional::of).equals(Optional.of(3));
}
public boolean associativity() {
Function<Integer, Optional> mapping = value -> Optional.of(value + 1);
Optional leftSide = Optional.of(3).flatMap(mapping).flatMap(Optional::of);
Optional rightSide = Optional.of(3).flatMap(v -> mapping.apply(v).flatMap(Optional::of));
return leftSide.equals(rightSide);
}
// ...
}
class MonadSampleUnitTest {
// ...
@Test
void whenTestingMonadProperties_shouldBeOk() {
MonadSample4 test = new MonadSample4();
assertEquals(true, test.leftIdentity());
assertEquals(true, test.rightIdentity());
assertEquals(true, test.associativity());
}
// ...
}
乍一看，所有的属性似乎都符合要求，并且Java也有妥善的Monad实现，但实际上并非如此。让我们再做一个测试：
class MonadSample5 {
// ...
public boolean fail() {
Function<Integer, Optional> mapping = value -> Optional.of(value == null ? -1 : value + 1);
return Optional.ofNullable((Integer) null).flatMap(mapping).equals(mapping.apply(null));
}
// ...
}
class MonadSampleUnitTest {
@Test
void whenBreakingMonadProperties_shouldBeFalse() {
MonadSample5 test = new MonadSample5();
assertEquals(false, test.fail());
}
// ...
}
正如所观察到的，Monad的左标识属性被破坏了。实际上，根据这个讨论，这似乎是一个有意识的决定。JDK团队的一位成员表示Optional的范围比其他语言更窄，他们不打算超过这个范围。在其他情况下，此类属性可能不成立。
实际上，其他API(如流)，也有类似的设计，但并不打算完全实现Monad规范。
5. 总结
在本文中，我们了解了Monad的概念、它们是如何在Java中引入的，以及这种实现的细微差别。
可以争辩说Java实际上并不是Monad实现，并且在设计空安全时，他们违反了原则。但是，这种模式的许多好处仍然存在。
与往常一样，本教程的完整源代码可在GitHub上获得。
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