Clojure編程語(yǔ)言 擴(kuò)展你的Java想象力
51CTO.com之前曾介紹過(guò)Scala編程語(yǔ)言，它是一種針對(duì)JVM 將函數(shù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)組合在一起的編程語(yǔ)言；Scala源于Java，卻超越Java。與Scala相同，Clojure也是JVM上的一門新的語(yǔ)言，就像Groovy，Jyphon和JRuby一樣，它能動(dòng)態(tài)的、簡(jiǎn)潔的、無(wú)縫的與Java進(jìn)行交互操作。
關(guān)于Clojure與Scala的區(qū)別請(qǐng)參考51CTO.com之前的文章《Scala和Clojure，以及優(yōu)秀的企業(yè)級(jí)語(yǔ)言之道》
Clojure編程語(yǔ)言是Lisp的一門方言，最近發(fā)布了1.0版。開發(fā)者常錯(cuò)誤的認(rèn)為L(zhǎng)isp是一門不切實(shí)際的語(yǔ)言，這可能是因?yàn)樗貏e的語(yǔ)法，“苦行僧”式的簡(jiǎn)單，或經(jīng)常用于教學(xué)研究的緣故，Clojure將會(huì)打破這種偏見(jiàn)。Rich Hickey設(shè)計(jì)這門語(yǔ)言使它簡(jiǎn)單而實(shí)用，相比Java而言，它處理同類問(wèn)題會(huì)更加健壯，代碼量更少。
任何一門新的語(yǔ)言，無(wú)論它多好，在大規(guī)模使用前都得有自己的“殺手锏”。Clojure的“殺手锏”在于對(duì)多核CPU的并行編程方面，并行編程是現(xiàn)在提高處理器能力的主要方法。它不變的數(shù)據(jù)類型（immutable datatypes），無(wú)鎖的同步性（lockless concurrency）以及簡(jiǎn)單的抽象性，相比Java而言，Clojure在多線程編程方面更加簡(jiǎn)單、更加健壯。
下面將講一下Clojure編程語(yǔ)言的出色的特性，并從中學(xué)習(xí)讓你的Java代碼更加優(yōu)雅、bug更少的思想。我希望你讀完后，會(huì)想學(xué)更多。
代碼即數(shù)據(jù)
先看一下Listing 1 簡(jiǎn)單的函數(shù)，計(jì)算圓的面積。
Listing 1. A simple Clojure function
- (defn
- circle-area [r]
- (* Math/PI r r))
Clojure代碼與Java代碼看上去非常不同，原因很簡(jiǎn)單，在Clojure中，代碼就是數(shù)據(jù)，代碼與Lists和Vectors以及其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一樣以同樣方式構(gòu)建。無(wú)論對(duì)于程序員還是程序而言，語(yǔ)法一致性都使代碼更易理解更易操作。
因此Listing 1里面的函數(shù)定義無(wú)非就是一個(gè)（用小括號(hào)括起來(lái)的）list，這個(gè)list擁有一個(gè)（中括號(hào)括起來(lái)的）vector和另一個(gè)list。***行以list語(yǔ)法定義了該函數(shù)。函數(shù)名后的vector里定義了參數(shù)，***一行，同樣是list語(yǔ)法的調(diào)用方式調(diào)用了乘法計(jì)算，后面3個(gè)是操作數(shù)。
Clojure在語(yǔ)法上的極低限制使得代碼非常易讀，即使對(duì)于編程經(jīng)驗(yàn)不多的人也是如此。主流的開發(fā)環(huán)境對(duì)Clojure編程語(yǔ)言都有支持——包括NetBeans，IntelliJ，Eclipse以及vi和Emacs，這使閱讀代碼更容易。Figure 1 是一個(gè)VimClojure的例子，匹配的括號(hào)是以不同顏色表示的。（這個(gè)函數(shù)將小寫字母從一個(gè)字符串中取出來(lái)，如 (get-lower "AbCd") 結(jié)果是 "bd"）
Figure 1. Clojure support in Vim (Click to enlarge.)
事實(shí)上，由于語(yǔ)法的簡(jiǎn)潔性，一個(gè)Clojure程序往往比相同功能的Java程序更加簡(jiǎn)單，比如下面的Java寫的getLower()函數(shù)，它是Clojure程序括號(hào)量的2倍，代碼量的4倍。
Listing 2. A Java function -- more complicated than the Clojure equivalent
- public static String getLower(String s) {
- StringBuffer sb = new StringBuffer();
- for (int i = 0; i > s.length(); i++) {
- char ch = s.charAt(i);
- if (Character.isLowerCase(ch)) {
- sb.append(ch);
- }
- }
- return sb.toString();
- }
Java和其他語(yǔ)言一樣，代碼在編譯過(guò)程中會(huì)被轉(zhuǎn)換成一顆抽象語(yǔ)法樹。通過(guò)Java“自省”（reflection）可以訪問(wèn)這個(gè)結(jié)構(gòu)中的類、字段和方法，但只能“只讀”的訪問(wèn)，沒(méi)法訪問(wèn)方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。相對(duì)地，Clojure的宏（macros）能更為自由地操作這棵語(yǔ)法樹，讓你實(shí)現(xiàn)普通代碼實(shí)現(xiàn)不了的功能。通過(guò)宏，你可以變換while條件，包裝（wrapping）和延遲計(jì)算（deferring evaluation）。
下面是一個(gè)周所周知又令人痛苦的例子。在Java中，為了處理reader或stream中的數(shù)據(jù)，你不得不在鐵箍般的代碼塊中跳轉(zhuǎn)來(lái)跳轉(zhuǎn)去，看下面的Listing 3.
Listing 3. Simple functionality, complicated in Java
- BufferedReader rdr = null;
- try {
- rdr = new BufferedReader(new FileReader(fileName));
- //core processing logic goes here
- } finally {
- if (rdr != null) {
- try {
- rdr.close();
- } catch (IOException e) { }
- }
- }
Listing 3 的大多代碼是樣板化的，封裝的代碼根據(jù)情況的不同而不同，即數(shù)據(jù)處理部分的不同而不同。就像這個(gè)例子，Java常常無(wú)法提供可供重用的代碼（譯注：這里是指由于Reader或Stream等數(shù)據(jù)處理方式的不同，Java只能提供代碼樣板，而不能提供重用的代碼）。軟件工程的本質(zhì)是知道什么是能改變的，什么不是。利用Clojure的宏能靈活的創(chuàng)建可重用的代碼結(jié)構(gòu)，如例子Listing 4 （摘自核心庫(kù)代碼）。
Listing 4. A Clojure macro
- (defmacro with-open [bindings & body]
- `(let bindings
- (try
- @body
- (finally
- (.close (first bindings))))))
- (with-open [rdr (java.io.BufferedReader.(java.io.FileReader. "a.txt"))]
- (println (.readLine rdr)))
宏接受一個(gè)vector，里面包含一個(gè)reader/stream的bindings（只是一個(gè)記號(hào)）。第二行，那個(gè)記號(hào)綁定到reader上。vector里還包含body，即被包裹在try語(yǔ)句中的代碼。***2行，宏被執(zhí)行，調(diào)用println作為“數(shù)據(jù)處理”邏輯。
在語(yǔ)法解析之后、程序執(zhí)行之前，宏重新整理它的代碼，body及其他功能的執(zhí)行只有在宏被調(diào)用后才發(fā)生。和Clojure的動(dòng)態(tài)輸入、未檢查的異常一起，宏不僅令Clojure代碼重用性增加，而且更加易讀。
Clojure的宏和C的宏有一些相似，都在執(zhí)行處理前重新布置代碼。與C在執(zhí)行前將代碼看作文本不同的是，Clojure使用語(yǔ)言本身的表達(dá)特性將代碼看作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
Listing 4***2行代碼展示了Clojure與Java交互操作非常容易："java.io.BufferedReader."——后面的點(diǎn)——是對(duì)構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用，.readLine是對(duì)方法的調(diào)用。在Listing 1里面，Math/PI 訪問(wèn)的是靜態(tài)字段。Java可以容易的調(diào)用Clojure代碼，Clojure也能繼承Java類；反之亦然。#p#
純粹函數(shù)式語(yǔ)言的并發(fā)性
盡管Java內(nèi)置了對(duì)多線程的支持，但Java對(duì)并發(fā)性處理依舊困難。如果在應(yīng)該加鎖的地方?jīng)]有加鎖，數(shù)據(jù)就會(huì)損壞；在不需要加鎖的地方加鎖，死鎖就會(huì)出現(xiàn)，或線程停掉。事實(shí)上，大多程序員是寫單線程應(yīng)用程序，或讓應(yīng)用服務(wù)器管理線程。一旦單線程應(yīng)用程序需要將問(wèn)題分解成同步處理的情況，就只能寫多線程代碼了。
反模式里的死鎖
多核電路使這種需求更加迫切。在單核CPU下，多線程常常用來(lái)允許某個(gè)任務(wù)執(zhí)行，同時(shí)阻塞其他I/O任務(wù)。今天的CPU，真正的并發(fā)性通過(guò)多核在各自高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)，而Clojure的純粹函數(shù)式編程以及多線程結(jié)構(gòu)讓線程安全的代碼更加容易實(shí)現(xiàn)。
默認(rèn)的Clojure功能是純粹函數(shù)功能，它接收參數(shù)，返回結(jié)果，不改變?nèi)魏慰梢?jiàn)狀態(tài)。不同的狀態(tài)則需要一個(gè)新對(duì)象。比如，我們先定義一個(gè)map（大括號(hào)包裹部分），然后用assoc為map增加一個(gè)鍵：
(let [m {:roses "red", :violets "blue"}]
(assoc m :sugar "sweet"))
結(jié)果是一個(gè)新的map: {:sugar "sweet", :violets "blue", :roses "red"}，而原始map保持不變。
看上去，每次變化都產(chǎn)生拷貝很沒(méi)有效率，但事實(shí)上這時(shí)它的一個(gè)很好的特性：對(duì)象不變性。比如上面的2個(gè)map，它們既能共享底層的部分結(jié)構(gòu)，對(duì)其中一個(gè)改變又不會(huì)對(duì)另外一個(gè)產(chǎn)生不必要的風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)程序員而言純粹的函數(shù)很容易理解。由于沒(méi)有副作用，所考慮的只有函數(shù)參數(shù)與返回值，大大簡(jiǎn)化了調(diào)試和測(cè)試。
純粹的函數(shù)對(duì)Clojure自身而言也容易理解，優(yōu)勢(shì)也更容易發(fā)揮。純粹的函數(shù)調(diào)用可以并行執(zhí)行，而不必考慮執(zhí)行順序；它們可以在獨(dú)立的cpu上執(zhí)行，不用考慮彼此之間關(guān)系。在一個(gè)交易失敗后，也能安全地被重新執(zhí)行，并且結(jié)果可以推遲到只有在需要的時(shí)候才去計(jì)算。它們也能記住計(jì)算結(jié)果——存在緩存中以備后續(xù)調(diào)用。
它確實(shí)可以做到。Clojure能讓你不費(fèi)多大力氣就安全地做到這一切。
在Java中使用不變的、無(wú)副作用的函數(shù)能讓你更容易優(yōu)化以及避免bug。可能的話，聲明class及其字段為final的，在構(gòu)造函數(shù)里做初始化。你也可以通過(guò)封裝為變化的對(duì)象增加安全性，像Collections.unmodifiableCollection().
String是Java里面眾所周知的不變的對(duì)象，由于它們的不變性，JVM可以內(nèi)聯(lián)它們并緩存它們的哈希碼來(lái)減少創(chuàng)建新對(duì)象的時(shí)間。這樣的優(yōu)化在Java中很少見(jiàn)，但在Clojure很普遍。
線程安全狀態(tài)
并非任何東西都是不變的。本質(zhì)上，任何對(duì)磁盤、網(wǎng)絡(luò)或用戶界面的輸入輸出都是可變的。多線程介入后，對(duì)于上述可變狀態(tài)的管理變得更加困難，而Clojure提供了特殊結(jié)構(gòu)來(lái)安全地處理這些情況。
Java里，典型的線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是用synchronized實(shí)現(xiàn)的。它阻塞了一些線程，使執(zhí)行變地緩慢，并有導(dǎo)致死鎖的危險(xiǎn)。
Clojure的Ref使用創(chuàng)新的并發(fā)模型——即軟件事務(wù)化存儲(chǔ)（software transactional memory）——來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖的多線程。就像樂(lè)觀鎖數(shù)據(jù)庫(kù)的事務(wù)一樣，多線程可以并發(fā)的、無(wú)阻塞的對(duì)同一變量執(zhí)行更新，如果同步寫入過(guò)程出現(xiàn)沖突，其中一個(gè)線程會(huì)回滾并重試。
Listing 5 定義了一個(gè)封裝set的Ref（以 #{}標(biāo)記），用它管理bookshelf上的圖書，任何線程都可以安全的上架或下架某一本書，通過(guò)使Ref關(guān)聯(lián)到新的set，并調(diào)用增加(conj) 或移除 (disj)實(shí)現(xiàn)。所有的對(duì)引用值的改變都是通過(guò)dosync交易來(lái)完成的（dosync與Java 的synchronized關(guān)鍵字沒(méi)什么關(guān)系）。
Listing 5. Defining a Ref
- (def bookshelf (ref #{}))
- (defn shelve[book]
- (dosync (alter bookshelf conj book)))
- (defn unshelve [book]
- (dosync (alter bookshelf disj book)))
你可以使用 @bookshelf來(lái)提取值，而不用事務(wù)（transaction）.
這是個(gè)簡(jiǎn)單的、線程安全的、存在內(nèi)存中的交易數(shù)據(jù)庫(kù)，鎖機(jī)制的復(fù)雜性被隱藏，線程之間不必互相等待，各個(gè)線程看到的是相同的數(shù)據(jù)。#p#
Clojure Agent通過(guò)線程池中的獨(dú)立線程同步執(zhí)行函數(shù)，當(dāng)執(zhí)行完成時(shí)，你可以提取到執(zhí)行結(jié)果。如下面例子，這段代碼會(huì)維護(hù)“l(fā)og”——一個(gè)字符串序列:
(def log (agent []))
(send log conj "2009-03-28 10:34 Shelved Hamlet")
代碼首先創(chuàng)建一個(gè)agent，封裝了一個(gè)空的vector，然后通過(guò)發(fā)送conj函數(shù)到agent來(lái)添加記錄。conj執(zhí)行很快，但如果我們?yōu)閍gent發(fā)送一個(gè)需長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的函數(shù)，那么讓agent更新而不是阻塞在線程調(diào)用里面就很有價(jià)值了。
相同的并發(fā)設(shè)計(jì)思想在Java里面一樣有用。為了將可變性的維護(hù)成本降到***，我們應(yīng)非常謹(jǐn)慎地使用多個(gè)線程共享的可變狀態(tài)。可能的話，盡量不要使用底層的同步機(jī)制，像synchronized 和wait()，而要盡量使用高層的抽象機(jī)制，比如Java.util.concurrent包的內(nèi)容（如果需要的話，Java里面的多線程概念在Clojure里同樣可以使用）。
Clojure的Var提供了變量在線程內(nèi)重新綁定的方式。它和全局變量的作用類似，“長(zhǎng)距離”的傳遞數(shù)據(jù)。這是一種安全的方式，因?yàn)樽兞恐抵皇窃趩蝹€(gè)線程里可見(jiàn)，并且只是在運(yùn)行時(shí)調(diào)用綁定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可見(jiàn)。
Java里的thread-local變量與之類似：“長(zhǎng)距離”傳遞狀態(tài)，跳過(guò)堆棧調(diào)用，因此避免了交叉線程對(duì)靜態(tài)字段的訪問(wèn)風(fēng)險(xiǎn)。與Var綁定不同的是，它并不限制在單個(gè)線程中使用，也沒(méi)有嚴(yán)格定義的動(dòng)態(tài)范圍。
舉例來(lái)說(shuō)，Webjure Web框架通過(guò)對(duì)相關(guān)的HTTP對(duì)象*request* 和*response*的綁定來(lái)處理HTTP請(qǐng)求。所有的請(qǐng)求處理代碼都能訪問(wèn)這些對(duì)象，沒(méi)有必要將它們作為參數(shù)傳到堆棧中再交給每個(gè)函數(shù)。其他線程看不到這些值，每個(gè)Http請(qǐng)求接收自己的對(duì)象。即便在線程內(nèi)部，新的值也只在綁定范圍內(nèi)可見(jiàn)——下面是對(duì)單個(gè)請(qǐng)求的處理 Listing 6.
Listing 6. Var bindings in Webjure
- (binding [*request* request *response* response]
- (binding [*matched-handler* (find-handler (request-path *request*))]
- ((*matched-handler* :handler)))))) ; This invokes the request-handle
類型提示
Clojure在運(yùn)行時(shí)編譯，能產(chǎn)生和Java一樣快的字節(jié)碼。然而，在編譯器得不到參數(shù)的類型時(shí)，更慢的“自省”方式的調(diào)用就是必需的了，這在所有動(dòng)態(tài)類型語(yǔ)言都會(huì)出現(xiàn)。
下面的代碼中，我們?cè)O(shè)置Clojure在不得不使用“自省”時(shí)發(fā)出警告，然后定義函數(shù)：
(set! *warn-on-reflection* true)
(defn year [cal]
(.get cal java.util.Calendar/YEAR))
Reflection warning, line: 3 - call to get can't be resolved.
然而，我們可以通知編譯器使用 #^Calendar，“元數(shù)據(jù)”(metadata，與對(duì)象的主要目的不同的額外信息）使編譯器避免“自省”調(diào)用，而是實(shí)時(shí)（just-in-time)地創(chuàng)建快速的字節(jié)碼：
(defn year [#^java.util.Calendar cal]
(.get cal java.util.Calendar/YEAR))
在Java里，注解（annotation）同樣可以在源代碼外增加額外信息。然而注解不如Clojure元數(shù)據(jù)那樣強(qiáng)大，它們只能在開發(fā)過(guò)程中被加入，并只能用于像String這樣的簡(jiǎn)單對(duì)象，自身也必須是靜態(tài)定義類型。因此，除了在框架開發(fā)者那里，注解實(shí)際上很少使用。
另外，雖然實(shí)時(shí)編譯非常方便，你也可以在開發(fā)時(shí)編譯Clojure，就像在Java里所做的一樣。這樣，Clojure就變成了Java的另一個(gè)庫(kù)——這樣，無(wú)論經(jīng)理還是客戶，對(duì)新語(yǔ)言的抵觸情緒就小很多，尤其是對(duì)Lisp的抵觸。
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