函数式思维: 利用 Either 和 Option 进行函数式错误处理 类型安全的函数式异常
当您研究函数式编程等深奥学科时，令人着迷的分支偶尔会出现。在 函数式思维：函数设计模式，第 3 部分 中，我在迷你系列中继续以函数的方式重新思考传统的 Gang of Four 设计模式。在下一期文章中，我将回到这一主题，讨论 Scala 风格的模式匹配，但首先我需要通过 Either 概念建立一些背景知识。Either 的其中一个用法是函数式风格的错误处理，我会在本期文章中对其进行介绍。当您了解 Either 可以对错误施展的魔法之后，我将在下期文章中转向模式匹配和树。
在 Java 中，错误的处理在传统上由异常以及创建和传播异常的语言支持进行。但是，如果不存在结构化异常处理又如何呢？许多函数式语言不支持异常范式，所以它们必须 找到表达错误条件的替代方式。在本文中，我将演示 Java 中类型安全的错误处理机制，该机制绕过正常的异常传播机制（并通过 Functional Java 框架的一些示例协助说明）。
如果您想在 Java 中不使用异常来处理错误，最根本的障碍是语言的限制，因为方法只能返回单个值。但是，当然，方法可以 返回单个 Object（或子类）引用，其中可包含多个值。那么，我可以使用一个 Map 来启用多个返回值。请看看清单 1 中的 divide() 方法：
清单 1. 使用
Map 处理多个返回值 public static Map<String, Object> divide(int x, int y) { Map<String, Object> result = new HashMap<String, Object>(); if (y == 0) result.put("exception", new Exception("div by zero")); else result.put("answer", (double) x / y); return result; } |
在 清单 1 中，我创建了一个 Map，以 String 为键，并以 Object 为值。在 divide() 方法中，我输出 exception 来表示失败，或者输出 answer 来表示成功。清单 2 中对两种模式都进行了测试：
清单 2. 使用
Map 测试成功与失败 @Test public void maps_success() { Map<String, Object> result = RomanNumeralParser.divide(4, 2); assertEquals(2.0, (Double) result.get("answer"), 0.1); } @Test public void maps_failure() { Map<String, Object> result = RomanNumeralParser.divide(4, 0); assertEquals("div by zero", ((Exception) result.get("exception")).getMessage()); } |
在 清单 2 中，maps_success 测试验证在返回的 Map 中是否存在正确的条目。maps_failure 测试检查异常情况。
这种方法有一些明显的问题。首先，Map 中的结果无论如何都不是类型安全的，它禁用了编译器捕获特定错误的能力。键的枚举可以略微改善这种情况，但效果不大。其次，该方法调用器并不知道方法调用 是否成功，这加重了调用程序的负担，它要检查可能结果的词典。第三，没有什么能阻止这两个键都有值，这使得结果模棱两可。
我需要的是一种让我能够以类型安全的方式返回两个（或多个）值的机制。
返回两个不同值的需求经常出现在函数式语言中，用来模拟这种行为的一个常用数据结构是 Either 类。在 Java 中，我可以使用泛型创建一个简单的 Either 类，如清单 3 所示：
清单 3. 通过
Either 类返回两个（类型安全的）值 public class Either<A,B> { private A left = null; private B right = null; private Either(A a,B b) { left = a; right = b; } public static <A,B> Either<A,B> left(A a) { return new Either<A,B>(a,null); } public A left() { return left; } public boolean isLeft() { return left != null; } public boolean isRight() { return right != null; } public B right() { return right; } public static <A,B> Either<A,B> right(B b) { return new Either<A,B>(null,b); } public void fold(F<A> leftOption, F<B> rightOption) { if(right == null) leftOption.f(left); else rightOption.f(right); } } |
在 清单 3中，Either 旨在保存一个 left 或 right 值（但从来都不会同时保存这两个值）。该数据结构被称为不相交并集。一些基于 C 的语言包含 union 数据类型，它可以保存含若干种不同类型的一个实例。不相交并集的槽可以保存两种类型，但只保存其中一种类型的一个实例。Either 类有一个 private 构造函数，使构造成为静态方法 left(A a) 或 right(B b) 的责任。在类中的其他方法是辅助程序，负责检索和调研类的成员。
利用 Either，我可以编写代码来返回异常或 一个合法结果（但从来都不会同时返回两种结果），同时保持类型安全。常见的函数式约定是 Either 类的 left 包含异常（如有），而 right 包含结果。
我有一个名为 RomanNumeral 的类（我将其实现留给读者去想象）和一个名为 RomanNumeralParser 的类，该类调用 RomanNumeral 类。parseNumber() 方法和说明性测试如清单 4 所示：
清单 4. 解析罗马数字
public static Either<Exception, Integer> parseNumber(String s) { if (! s.matches("[IVXLXCDM]+")) return Either.left(new Exception("Invalid Roman numeral")); else return Either.right(new RomanNumeral(s).toInt()); } @Test public void parsing_success() { Either<Exception, Integer> result = RomanNumeralParser.parseNumber("XLII"); assertEquals(Integer.valueOf(42), result.right()); } @Test public void parsing_failure() { Either<Exception, Integer> result = RomanNumeralParser.parseNumber("FOO"); assertEquals(INVALID_ROMAN_NUMERAL, result.left().getMessage()); } |
在 清单 4 中，parseNumber() 方法执行一个验证（用于显示错误），将错误条件放置在 Either 的 left 中，或将结果放在它的 right中。单元测试中显示了这两种情况。
比起到处传递 Map，这是一个很大的改进。我保持类型安全（请注意，我可以按自己喜欢使异常尽量具体）；在通过泛型的方法声明中，错误是明显的；返回的结果带有一个额外的间接级别，可以解压 Either 的结果（是异常还是答案）。额外的间接级别支持惰性。
Either 类出现在许多函数式算法中，并且在函数式世界中如此之常见，以致 Functional Java 框架（参阅 参考资料）也包含了一个 Either 实现，该实现将在 清单 3 和 清单 4 的示例中使用。但它的目的就是与其他 Functional Java 构造配合使用。因此，我可以结合使用 Either 和 Functional Java 的 P1 类来创建惰性 错误评估。惰性表达式是一个按需执行的表达式（参阅 参考资料）。
在 Functional Java 中，P1 类是一个简单的包装器，包括名为 _1() 的方法，该方法不带任何参数。（其他变体：P2 和 P3 等，包含多种方法。）P1 在 Functional Java 中用于传递一个代码块，而不执行它，使您能够在自己选择的上下文中执行代码。
在 Java 中，只要您 throw 一个异常，异常就会被实例化。通过返回一个惰性评估的方法，我可以将异常创建推迟到以后。请看看清单 5 中的示例及相关测试：
清单 5. 使用 Functional Java 创建一个惰性解析器
public static P1<Either<Exception, Integer>> parseNumberLazy(final String s) { if (! s.matches("[IVXLXCDM]+")) return new P1<Either<Exception, Integer>>() { public Either<Exception, Integer> _1() { return Either.left(new Exception("Invalid Roman numeral")); } }; else return new P1<Either<Exception, Integer>>() { public Either<Exception, Integer> _1() { return Either.right(new RomanNumeral(s).toInt()); } }; } @Test public void parse_lazy() { P1<Either<Exception, Integer>> result = FjRomanNumeralParser.parseNumberLazy("XLII"); assertEquals((long) 42, (long) result._1().right().value()); } @Test public void parse_lazy_exception() { P1<Either<Exception, Integer>> result = FjRomanNumeralParser.parseNumberLazy("FOO"); assertTrue(result._1().isLeft()); assertEquals(INVALID_ROMAN_NUMERAL, result._1().left().value().getMessage()); } |
清单 5 中的代码与 清单 4 中的类似，但多了一个 P1 包装器。在 parse_lazy 测试中，我必须通过在结果上调用 _1() 来解压结果，该方法返回 Either 的 right，从该返回值中，我可以检索值。在 parse_lazy_exception 测试中，我可以检查是否存在一个 left，并且我可以解压异常，以辨别它的消息。
在您调用 _1() 解压 Either 的 left 之前，异常（连同其生成成本昂贵的堆栈跟踪）不会被创建。因此，异常是惰性的，让您推迟异常的构造程序的执行。
惰性不是使用 Either 进行错误处理的惟一好处。另一个好处是，您可以提供默认值。请看清单 6 中的代码：
清单 6. 提供合理的默认返回值
public static Either<Exception, Integer> parseNumberDefaults(final String s) { if (! s.matches("[IVXLXCDM]+")) return Either.left(new Exception("Invalid Roman numeral")); else { int number = new RomanNumeral(s).toInt(); return Either.right(new RomanNumeral(number >= MAX ? MAX : number).toInt()); } } @Test public void parse_defaults_normal() { Either<Exception, Integer> result = FjRomanNumeralParser.parseNumberDefaults("XLII"); assertEquals((long) 42, (long) result.right().value()); } @Test public void parse_defaults_triggered() { Either<Exception, Integer> result = FjRomanNumeralParser.parseNumberDefaults("MM"); assertEquals((long) 1000, (long) result.right().value()); } |
在 清单 6 中，假设我不接受任何大于 MAX 的罗马数字，任何企图大于该值的数字都将被默认设置为 MAX。parseNumberDefaults() 方法确保默认值被放置在 Either 的 right 中。
我也可以使用 Either 来包装异常，将结构化异常处理转换成函数式，如清单 7 所示：
清单 7. 捕获其他人的异常
public static Either<Exception, Integer> divide(int x, int y) { try { return Either.right(x / y); } catch (Exception e) { return Either.left(e); } } @Test public void catching_other_people_exceptions() { Either<Exception, Integer> result = FjRomanNumeralParser.divide(4, 2); assertEquals((long) 2, (long) result.right().value()); Either<Exception, Integer> failure = FjRomanNumeralParser.divide(4, 0); assertEquals("/ by zero", failure.left().value().getMessage()); } |
在 清单 7 中，我尝试除法，这可能引发一个 ArithmeticException。如果发生异常，我将它包装在 Either 的 left 中；否则我在 right 中返回结果。使用 Either 使您可以将传统的异常（包括检查的异常）转换成更偏向于函数式的风格。
当然，您也可以惰性包装从被调用的方法抛出的异常，如清单 8 所示：
清单 8. 惰性捕获异常
public static P1<Either<Exception, Integer>> divideLazily(final int x, final int y) { return new P1<Either<Exception, Integer>>() { public Either<Exception, Integer> _1() { try { return Either.right(x / y); } catch (Exception e) { return Either.left(e); } } }; } @Test public void lazily_catching_other_people_exceptions() { P1<Either<Exception, Integer>> result = FjRomanNumeralParser.divideLazily(4, 2); assertEquals((long) 2, (long) result._1().right().value()); P1<Either<Exception, Integer>> failure = FjRomanNumeralParser.divideLazily(4, 0); assertEquals("/ by zero", failure._1().left().value().getMessage()); } |
Java 异常有一个不错的特性，它能够将若干种不同的潜在异常类型声明为方法签名的一部分。尽管语法越来越复杂，但 Either 也可以做到这一点。例如，如果我需要 RomanNumeralParser 上的一个方法允许我对两个罗马数字执行除法，但我需要返回两种不同的可能异常情况，那么是解析错误还是除法错误？使用标准的 Java 泛型，我可以嵌套异常，如清单 9 所示：
清单 9. 嵌套异常
public static Either<NumberFormatException, Either<ArithmeticException, Double>> divideRoman(final String x, final String y) { Either<Exception, Integer> possibleX = parseNumber(x); Either<Exception, Integer> possibleY = parseNumber(y); if (possibleX.isLeft() || possibleY.isLeft()) return Either.left(new NumberFormatException("invalid parameter")); int intY = possibleY.right().value().intValue(); Either<ArithmeticException, Double> errorForY = Either.left(new ArithmeticException("div by 1")); if (intY == 1) return Either.right((fj.data.Either<ArithmeticException, Double>) errorForY); int intX = possibleX.right().value().intValue(); Either<ArithmeticException, Double> result = Either.right(new Double((double) intX) / intY); return Either.right(result); } @Test public void test_divide_romans_success() { fj.data.Either<NumberFormatException, Either<ArithmeticException, Double>> result = FjRomanNumeralParser.divideRoman("IV", "II"); assertEquals(2.0,result.right().value().right().value().doubleValue(), 0.1); } @Test public void test_divide_romans_number_format_error() { Either<NumberFormatException, Either<ArithmeticException, Double>> result = FjRomanNumeralParser.divideRoman("IVooo", "II"); assertEquals("invalid parameter", result.left().value().getMessage()); } @Test public void test_divide_romans_arthmetic_exception() { Either<NumberFormatException, Either<ArithmeticException, Double>> result = FjRomanNumeralParser.divideRoman("IV", "I"); assertEquals("div by 1", result.right().value().left().value().getMessage()); } |
在 清单 9 中，divideRoman() 方法首先解压从 清单 4 的原始 parseNumber() 方法返回的 Either。如果在这两次数字转换的任一次中发生一个异常，Either left 与异常一同返回。接下来，我必须解压实际的整数值，然后执行其他验证标准。罗马数字没有零的概念，所以我制定了一个规则，不允许除数为 1：如果分母是 1，我打包我的异常，并放置在 right 的 left 中。
换句话说，我有三个槽，按类型划分：NumberFormatException、ArithmeticException 和 Double。第一个 Either 的 left 保存潜在的 NumberFormatException，它的 right 保存另一个 Either。第二个 Either 的 left 包含一个潜在的 ArithmeticException，它的 right 包含有效载荷，即结果。因此，为了得到实际的答案，我必须遍历 result.right().value().right().value().doubleValue()！显然，这种方法的实用性迅速瓦解，但它确实提供了一个类型安全的方式，将异常嵌套为类签名的一部分。
Either 是一个方便的概念，在下期文章中，我将使用这个概念构建树形数据结构。Scala 中有一个名为 Option 的类与之类似，该类在 Functional Java 中被复制，提供了一个更简单的异常情况：none 表示不合法的值，some 表示成功返回。Option 如清单 10 所示：
清单 10. 使用
Option public static Option<Double> divide(double x, double y) { if (y == 0) return Option.none(); return Option.some(x / y); } @Test public void option_test_success() { Option result = FjRomanNumeralParser.divide(4.0, 2); assertEquals(2.0, (Double) result.some(), 0.1); } @Test public void option_test_failure() { Option result = FjRomanNumeralParser.divide(4.0, 0); assertEquals(Option.none(), result); } |
如 清单 10 所示，Option 包含 none() 或 some()，类似于 Either 中的 left 和 right，但特定于可能没有合法返回值的方法。
Functional Java 中的 Either 和 Option 都是单体，表示计算 的特殊数据结构，在函数式语言中大量使用。在下一期中，我将探讨有关 Either 的单体概念，并在不同的示例中演示它如何支持 Scala 风格的模式匹配。
当您学习一种新范式时，您需要重新考虑所有熟悉的问题解决方式。函数式编程使用不同的习惯用语来报告错误条件，其中大部分可以在 Java 中复制，不可否认，也有一些令人费解的语法。
在下一期中，我将深入探讨单体，讨论这个迷人的概念的一些用法，并展示如何使用低级的 Either 构建树。
