Java 中的 Monad 模式：精通函数式编程范式

大约 3 分钟

也称为

计算包装器
Monadic 接口

Monad 设计模式的意图

Java 中的 Monad 设计模式提供了一种机制来封装计算或副作用，它使操作能够链接起来，同时以无副作用的方式管理上下文和数据流。

带有真实世界示例的 Monad 模式详细解释

真实世界示例

考虑一个关于 Java 中 Monad 的真实世界示例，其中包含餐厅餐点订购流程。这种封装和链接允许进行干净且错误管理的流程，类似于 Monad 在函数式编程中处理数据和操作的方式。在这种情况下，选择菜肴、添加配菜和选择饮料的每个步骤都可以看作是一个 Monadic 操作。每个操作都封装了当前订单的状态（例如，已选择的菜肴），并允许进行下一个选择（例如，选择配菜），而不会向顾客公开整个订单详细信息的复杂性。
就像在函数式 Monad 中一样，如果任何步骤失败（例如，菜肴不可用），整个流程可以被停止或重定向，而不会抛出异常，从而保持平稳的流程。这种封装和链接允许从选择主菜到完成完整的餐点订单，进行干净且错误管理的流程，类似于 Monad 在函数式编程中处理数据和操作的方式。这种方法确保了一致的体验，其中每个选择都以受控的方式建立在之前的选择之上。

通俗地说

Monad 模式确保每个操作都执行，无论之前的操作成功还是失败。

维基百科说

在函数式编程中，Monad 是一种结构，它结合了程序片段（函数）并将它们的返回值包装在一个具有附加计算的类型中。除了定义一个包装的 Monadic 类型之外，Monad 还定义了两个运算符：一个用于将值包装在 Monad 类型中，另一个用于组合输出 Monad 类型值的函数（这些被称为 Monadic 函数）。通用语言使用 Monad 来减少对常见操作（例如，处理未定义的值或易出错函数，或封装簿记代码）所需的样板代码。函数式语言使用 Monad 将复杂的函数序列转换为简洁的管道，这些管道抽象了控制流和副作用。

Java 中 Monad 模式的编程示例

这是 Java 中的 Monad 实现。Validator 类封装了一个对象，并以 Monadic 方式执行验证步骤，展示了使用 Monad 模式进行错误处理和状态管理的好处。

public class Validator<T> {
  private final T obj;
  private final List<Throwable> exceptions = new ArrayList<>();

   private Validator(T obj) {
    this.obj = obj;
  }
  public static <T> Validator<T> of(T t) {
    return new Validator<>(Objects.requireNonNull(t));
  }

  public Validator<T> validate(Predicate<? super T> validation, String message) {
    if (!validation.test(obj)) {
      exceptions.add(new IllegalStateException(message));
    }
    return this;
  }

  public <U> Validator<T> validate(
      Function<? super T, ? extends U> projection,
      Predicate<? super U> validation,
      String message
  ) {
    return validate(projection.andThen(validation::test)::apply, message);
  }

  public T get() throws IllegalStateException {
    if (exceptions.isEmpty()) {
      return obj;
    }
    var e = new IllegalStateException();
    exceptions.forEach(e::addSuppressed);
    throw e;
  }
}

接下来，我们定义一个枚举 Sex。

public enum Sex {
  MALE, FEMALE
}

现在我们可以介绍 User。

public record User(String name, int age, Sex sex, String email) {
}

最后，使用 Validator Monad 验证 User 对象的名称、电子邮件和年龄。

public static void main(String[] args) {
    var user = new User("user", 24, Sex.FEMALE, "foobar.com");
    LOGGER.info(Validator.of(user).validate(User::name, Objects::nonNull, "name is null")
        .validate(User::name, name -> !name.isEmpty(), "name is empty")
        .validate(User::email, email -> !email.contains("@"), "email doesn't contains '@'")
        .validate(User::age, age -> age > 20 && age < 30, "age isn't between...").get()
        .toString());
}

控制台输出

15:06:17.679 [main] INFO com.iluwatar.monad.App -- User[name=user, age=24, sex=FEMALE, email=foobar.com]

何时在 Java 中使用 Monad 模式

Monad 设计模式适用于以下情况

需要一致且统一的错误处理，而无需依赖异常，尤其是在函数式编程范式中。
异步计算需要清晰且可维护的链接。
需要在函数流中管理和封装状态。
需要干净高效地处理依赖关系和延迟计算。

Monad 模式 Java 教程

设计模式重载（Remi Forax）

Monad 模式在 Java 中的真实世界应用

Java 标准库中的 Optional 用于处理值的潜在缺失。
Stream 用于构建函数式管道以对集合进行操作。
像 Vavr 这样的框架通过提供 Monadic 结构来增强 Java 中的函数式编程，以提高代码的可维护性。

Monad 模式的优点和权衡

优点

提高代码可读性并减少样板代码。
鼓励声明式编程风格。
促进不变性和线程安全。
简化复杂的错误处理和状态管理。

权衡

对于不熟悉函数式编程的开发人员来说可能具有挑战性。
由于附加的抽象层，可能会引入性能开销。
由于操作流不太透明，调试可能很困难。

与 Java 中的 Monad 相关的设计模式包括

工厂方法：类似于它有助于实例化 Monad，封装了对象创建逻辑。
命令：也封装了操作，但 Monad 在其中添加了上下文管理。
装饰器：动态地增强功能，而 Monad 使用静态类型进行一致的组合。