【问题标题】:What is the need for an Immutable Queue?不可变队列需要什么?
【发布时间】:2017-07-15 04:42:29
【问题描述】:

我已经使用 Java 多年了。最近遇到了 Vavr,一个用于 Java 的函数库,它提供了不可变的集合 API。我很想知道拥有不可变队列的原因。

我的理解是,一个队列用于在一端向它生成数据,然后另一个线程从另一端消耗数据。

Immutable Queue 构造后不允许你添加数据,那我为什么要在这里使用 Queue。

理想情况下,我会按如下方式处理队列,但对于不可变队列,这会进入无限循环。

while(!queue.isEmpty()) {
    queue.dequeue(); // process elements in queue.
}

当我在谷歌上搜索时,所有讨论都围绕着如何实现不可变队列,但没有解释它的必要性。

【问题讨论】:

标签: java queue immutability vavr


【解决方案1】:

我的理解是,一个队列用于在一端向它生成数据,然后另一个线程从另一端消耗数据。

Queue 是一个 FIFO(先进先出)数据结构。除了作为线程之间的通信之外,它还有很多用途。

我很想知道拥有不可变队列的原因。

如果您对不可变的anything 的需求感到困惑,那么您似乎不理解functional programming。请记住,您自己说过Vavr 是一个函数库,即用Java 编写函数代码的库。

函数式编程的基本原则之一是一切都是不可变的

这包括一个队列。如果您需要一个队列,即 FIFO 集合来存储您的数据,那么它也必须是不可变的。

例如,假设您想将数字 1 到 10 添加到队列中,然后从该队列中读取并打印值。

在像 Java 这样的 imperative programming 语言中,你会这样做,使用 java.util.Queue 和像 java.util.LinkedList 这样的实现:

// Build queue with numbers 1-10
Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
for (int i = 1; i <= 10; i++)
    queue.offer(i);

// Poll queue and print numbers
for (Integer num; (num = queue.poll()) != null; )
    System.out.println(num);

相比之下,函数式编程严重依赖递归函数(因此函数式编程),对于类似的操作,堆栈上的嵌套调用调用具有不同的函数参数值。

请记住,在命令式风格中,计数变量 i 和队列 @9​​87654339@ 在迭代期间都会发生变化。

在函数式风格中,它们都必须是不可变的,因此您可以使用io.vavr.collection.Queue 编写这样的递归函数(在Java 中):

private static Queue<Integer> build(int i, int end, Queue<Integer> queue) {
    if (i > end)
        return queue;
    return build(i + 1, end, queue.enqueue(i));
}

然后调用它:

// Build queue with numbers 1-10
Queue<Integer> queue = build(1, 10, Queue.empty());

由于队列是不可变的,enqueue() 方法返回一个添加了新值的新队列。然后将新队列作为递归调用的参数传递,直到完成,此时包含数字的最终队列返回调用堆栈。

旁注:在实现尾递归优化(Java 没有)的函数式语言中,上面的 build() 函数实际上不会建立调用堆栈,因此不会导致堆栈溢出。此外,enqueue() 返回的新队列不会复制所有现有值,因此它并不像听起来那么昂贵。

要轮询队列中的值并打印它们,您还可以使用递归方法:

private static void print(Queue<Integer> queue) {
    if (queue.isEmpty())
        return;
    Tuple2<Integer,Queue<Integer>> t = queue.dequeue();
    System.out.println(t._1());
    print(t._2());
}

这里,dequeue() 返回两个值:从队列中删除的值,以及删除了值的新队列。然后该函数打印该值并进行递归调用以打印队列的其余部分。

【讨论】:

  • 根据规范,Queue impls 并不总是 FIFO:“队列通常但不一定以 FIFO(先进先出)的方式对元素进行排序。其中例外是优先队列”(来自文档)。但我绝对看到它可以在 vavr 之类的东西中发挥作用,鼓励无状态编程。 +1,比我的回答 IMO 更好,更具体
  • @VinceEmigh 您指的是Java 中Queue 接口的javadoc。我说的是抽象的Queue,它是一个纯FIFO结构。 PriorityQueue 不是 FIFO 结构。
  • 是的,但是语言标签是java,规范对于完整性很重要。这就是他们为规范选择的内容,并且在 JCL 中得到了实践。但就像我说的,我的回答是笼统的(就 Java 而言),可能不适用于特定于范式的要求。只是按照规范行事,不想违反合同
  • @VinceEmigh 但问题不是关于java.util.Queue。是关于io.vavr.collection.Queue,与java.util.Queue 没有任何共同之处,除了“队列”名称。
  • 如果想法只是存储元素的集合并将其交给另一个程序处理它们,那么我们可以使用 List 或 Set。为什么专门在这里排队?我可以看到拥有不可变列表/集的好处。
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