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Swift 烧脑体操(四) - map 和 flatMap

作者 唐巧 发布于 2016年3月3日 | ArchSummit全球架构师峰会(北京站)2016年12月02-03日举办,了解更多详情!

前言

Swift 其实比 Objective-C 复杂很多,相对于出生于上世纪 80 年代的 Objective-C 来说,Swift 融入了大量新特性。这也使得我们学习掌握这门语言变得相对来说更加困难。不过一切都是值得的,Swift 相比 Objective-C,写出来的程序更安全、更简洁,最终能够提高我们的工作效率和质量。

Swift 相关的学习资料已经很多,我想从另外一个角度来介绍它的一些特性,我把这个角度叫做「烧脑体操」。什么意思呢?就是我们专门挑一些比较费脑子的语言细节来学习。通过「烧脑」地思考,来达到对 Swift 语言的更加深入的理解。

这是本体操的第四节,练习前请做好准备运动,保持头脑清醒。

我之前一直以为我是懂 mapflatMap 的。但是直到我看到别人说:「一个实现了 flatMap 方法的类型其实就是 monad。」我又发现这个熟悉的东西变得陌生起来,本节烧脑体操打算更细致一些介绍 mapflatMap,为了下一节介绍 monad 做铺垫。

准备运动:基础知识

数组中的 mapflatMap

数组中的 map 对数组元素进行某种规则的转换,例如:

let arr = [1, 2, 4] // arr = [1, 2, 4]

let brr = arr.map { "No." + String($0) } // brr = ["No.1", "No.2", "No.4"] 

flatMapmap 的差别在哪里呢?我们可以对比一下它们的定义。为了方便阅读,我在删掉了定义中的 @noescapethrowsrethrows 关键字,如果你对这些关键字有疑问,可以查阅上一期的烧脑文章:

extension SequenceType {
    public func map<T>(transform: (Self.Generator.Element) -> T) 
         -> [T]
}

extension SequenceType {
    public func flatMap<S : SequenceType>(transform: (Self.Generator.Element) -> S) 
         -> [S.Generator.Element]
}

extension SequenceType {
    public func flatMap<T>(transform: (Self.Generator.Element) -> T?) 
         -> [T]
}

我们从中可以发现,map 的定义只有一个,而 flatMap 的定义有两个重载的函数,这两个重载的函数都是接受一个闭包作为参数,返回一个数组。但是差别在于,闭包的定义不一样。

第一个函数闭包的定义是:(Self.Generator.Element) -> S,并且这里 S 被定义成:S : SequenceType。所以它是接受数组元素,然后输出一个 SequenceType 类型的元素的闭包。有趣的是, flatMap 最终执行的结果并不是 SequenceType 的数组,而是 SequenceType 内部元素另外组成的数组,即:[S.Generator.Element]

是不是有点晕?看看示例代码就比较清楚了:

let arr = [[1, 2, 3], [6, 5, 4]]
let brr = arr.flatMap {
    $0
}
// brr = [1, 2, 3, 6, 5, 4]

你看出来了吗?在这个例子中,数组 arr 调用 flatMap 时,元素[1, 2, 3][6, 5, 4] 分别被传入闭包中,又直接被作为结果返回。但是,最终的结果中,却是由这两个数组中的元素共同组成的新数组:[1, 2, 3, 6, 5, 4]

需要注意的是,其实整个 flatMap 方法可以拆解成两步:

  • 第一步像 map 方法那样,对元素进行某种规则的转换。
  • 第二步,执行 flatten 方法,将数组中的元素一一取出来,组成一个新数组。

所以,刚刚的代码其实等价于:

let arr = [[1, 2, 3], [6, 5, 4]]
let crr = Array(arr.map{ $0 }.flatten())
// crr = [1, 2, 3, 6, 5, 4]

讲完了 flatMap 的第一种重载的函数,我们再来看第二种重载。

在第二种重载中,闭包的定义变成了:(Self.Generator.Element) -> T?,返回值 T 不再像第一种重载中那样要求是数组了,而变成了一个 Optional 的任意类型。而 flatMap 最终输出的数组结果,其实不是这个 T? 类型,而是这个 T? 类型解包之后,不为 .None 的元数数组:[T]

我们还是直接看代码吧。

let arr: [Int?] = [1, 2, nil, 4, nil, 5] 
let brr = arr.flatMap { $0 } 
// brr = [1, 2, 4, 5]

在这个例子中,flatMap 将数组中的 nil 都丢弃掉了,只保留了非空的值。

在实际业务中,这样的例子还挺常见,比如你想构造一组图片,于是你使用 UIImage 的构造函数,但是这个函数可能会失败(比如图像的名字不存在时),所以返回的是一个 Optional 的 UIImage 对象。使用 flatMap 方法可以方便地将这些对象中为 .None 的都去除掉。如下所示:

let images = (1...6).flatMap {
    UIImage(named: "imageName-\($0)") 
}  

Optional 中的 mapflatMap

其实 mapflatMap 不止存在于数组中,在 Optional 中也存在。我们先看看定义吧:

public enum Optional<Wrapped> : _Reflectable, NilLiteralConvertible {
    case None
    case Some(Wrapped)

    public func map<U>( f: (Wrapped) throws -> U) 
        rethrows -> U?

    public func flatMap<U>( f: (Wrapped) throws -> U?) 
        rethrows -> U?
}

所以,对于一个 Optional 的变量来说,map 方法允许它再次修改自己的值,并且不必关心自己是否为 .None。例如:

let a1: Int? = 3
let b1 = a1.map{ $0 * 2 }
// b1 = 6

let a2: Int? = nil
let b2 = a2.map{ $0 * 2 }
// b2 = nil

再举一个例子,比如我们想把一个字符串转成 NSDate 实例,如果不用 map 方法,我们只能这么写:

var date: NSDate? = ...
var formatted = date == nil ? nil : NSDateFormatter().stringFromDate(date!)

而使用 map 函数后,代码变得更短,更易读:

var date: NSDate? = ...
var formatted = date.map(NSDateFormatter().stringFromDate)

看出来特点了吗?当我们的输入是一个 Optional,同时我们需要在逻辑中处理这个 Optional 是否为 nil,那么就适合用 map 来替代原来的写法,使得代码更加简短。

那什么时候使用 Optional 的 flatMap 方法呢?答案是:当我们的闭包参数有可能返回 nil 的时候。

比如,我们希望将一个字符串转换成 Int,但是转换可能失败,这个时候我们就可以用 flatMap 方法,如下所示:

let s: String? = "abc"
let v = s.flatMap { (a: String) -> Int? in
    return Int(a)
}

我在这里还发现了更多的使用 mapflatMap 的例子,分享给大家:http://blog.xebia.com/the-power-of-map-and-flatmap-of-swift-optionals/

mapflatMap 的源码

Talk is cheap. Show me the code.

-- Linus Torvalds

为了更好地理解,我们去翻翻苹果开源的 Swift 代码,看看 mapflatMap 的实现吧。

数组的 map 的源码

源码地址是:https://github.com/apple/swift/blob/master/stdlib/public/core/Collection.swift,摘录如下:

public func map<T>(@noescape transform: (Generator.Element) throws -> T)
        rethrows -> [T] {
    let count: Int = numericCast(self.count)
    if count == 0 {
        return []
    }

    var result = ContiguousArray<T>()
    result.reserveCapacity(count)

    var i = self.startIndex

    for _ in 0..<count {
        result.append(try transform(self[i]))
        i = i.successor()
    }

    _expectEnd(i, self)
    return Array(result)
}

数组的 flatMap 的源码(重载函数一)

刚刚也说到,数组的 flatMap 有两个重载的函数。我们先看第一个的函数实现。源码地址是:https://github.com/apple/swift/blob/master/stdlib/public/core/SequenceAlgorithms.swift.gyb

public func flatMap<S : SequenceType>(
        transform: (${GElement}) throws -> S
    ) rethrows -> [S.${GElement}] {
        var result: [S.${GElement}] = []
        for element in self {
            result.appendContentsOf(try transform(element))
        }
        return result
}

对于这个代码,我们可以看出,它做了以下几件事情:

  1. 构造一个名为 result 的新数组,用于存放结果。
  2. 遍历自己的元素,对于每个元素,调用闭包的转换函数 transform,进行转换。
  3. 将转换的结果,使用 appendContentsOf 方法,将结果放入 result 数组中。

而这个 appendContentsOf 方法,即是把数组中的元素取出来,放入新数组。以下是一个简单示例:

var arr = [1, 3, 2]
arr.appendContentsOf([4, 5])
// arr = [1, 3, 2, 4, 5]

所以这种 flatMap 必须要求 transform 函数返回的是一个 SequenceType 类型,因为 appendContentsOf 方法需要的是一个 SequenceType 类型的参数。

数组的 flatMap 的源码(重载函数二)

当我们的闭包参数返回的类型不是 SequenceType 时,就会匹配上第二个重载的 flatMap 函数。以下是函数的源码。

public func flatMap<T>(
    @noescape transform: (${GElement}) throws -> T?
    ) rethrows -> [T] {
        var result: [T] = []
        for element in self {
            if let newElement = try transform(element) {
                result.append(newElement)
            }
        }
        return result
}

我们也用同样的方式,把该函数的逻辑理一下:

  1. 构造一个名为 result 的新数组,用于存放结果。(和另一个重载函数完全一样)
  2. 遍历自己的元素,对于每个元素,调用闭包的转换函数 transform,进行转换。(和另一个重载函数完全一样)
  3. 将转换的结果,判断结果是否是 nil,如果不是,使用使用 append 方法,将结果放入 result 数组中。(唯一差别的地方)

所以,该 flatMap 函数可以过滤闭包执行结果为 nil 的情况,仅收集那些转换后非空的结果。

对于这种重载的 flatMap 函数,它和 map 函数的逻辑非常相似,仅仅多做了一个判断是否为 nil 的逻辑。

所以,面试题来了:「什么情况下数组的 map 可以和 flatMap 等价替换?」

答案是:当 map 的闭包函数返回的结果不是 SequenceType 的时候。因为这样的话,flatMap 就会调到我们当前讨论的这种重载形式。而这种重载形式和 map 的差异就仅仅在于要不要判断结果为 nil。

下面是一个示例代码,可以看出:brrcrr 虽然分别使用 mapflatMap 生成,但是结果完全一样:

let arr = [1, 2, 4]
// arr = [1, 2, 4]

let brr = arr.map {
    "No." + String($0)
}
// brr = ["No.1", "No.2", "No.4"]

let crr = arr.flatMap {
    "No." + String($0)
}
// crr = ["No.1", "No.2", "No.4"]

Optional 的 mapflatMap 源码

看完数组的实现,我们再来看看 Optional 中的相关实现。源码地址是:https://github.com/apple/swift/blob/master/stdlib/public/core/Optional.swift,摘录如下:

/// If `self == nil`, returns `nil`.  
/// Otherwise, returns `f(self!)`.
public func map<U>(@noescape f: (Wrapped) throws -> U) 
        rethrows -> U? {
    switch self {
    case .Some(let y):
        return .Some(try f(y))
    case .None:
        return .None
    }
}

/// Returns `nil` if `self` is `nil`, 
/// `f(self!)` otherwise.
@warn_unused_result
public func flatMap<U>(@noescape f: (Wrapped) throws -> U?) 
        rethrows -> U? {
    switch self {
    case .Some(let y):
        return try f(y)
    case .None:
        return .None
    }
}

Optional 的这两函数真的是惊人的相似,如果你只看两段函数的注释的话,甚至看不出这两个函数的差别。

这两函数实现的差别仅仅只有两处:

  1. f 函数一个返回 U,另一个返回 U? 。
  2. 一个调用的结果直接返回,另一个会把结果放到 .Some 里面返回。

两个函数最终都保证了返回结果是 Optional 的。只是将结果转换成 Optional 的位置不一样。

这就像我老婆给我说:「我喜欢这个东西,你送给我吗?不送的话我就直接刷你卡买了!」。。。买东西的结果本质上是一样的,谁付钱本质上也是一样的,差别只是谁动手而已。

既然 Optional 的 mapflatMap 本质上是一样的,为什么要搞两种形式呢?这其实是为了调用者更方便而设计的。调用者提拱的闭包函数,既可以返回 Optional 的结果,也可以返回非 Optional 的结果。对于后者,使用 map 方法,即可以将结果继续转换成 Optional 的。结果是 Optional 的意味着我们可以继续链式调用,也更方便我们处理错误。

我们来看一段略烧脑的代码,它使用了 Optional 的 flatMap 方法:

var arr = [1, 2, 4]
let res = arr.first.flatMap {
    arr.reduce($0, combine: max)
}

这段代码的功能是:计算出数组中的元素最大值,按理说,求最大值直接使用 reduce 方法就可以了。不过有一种特殊情况需要考虑:即数组中的元素个数为 0 的情况,在这种情况下,没有最大值。

我们使用 Optional 的 flatMap 方法来处理了这种情况。arr 的 first 方法返回的结果是 Optional 的,当数组为空的时候,first 方法返回 .None,所以,这段代码可以处理数组元素个数为 0 的情况了。

烧脑的 mapflatMap

关于取名

There are only two hard things in Computer Science: cache invalidation and naming things.

-- Phil Karlton

有一位大师说,计算机世界真正称得上难题的就只有两个:第一个是缓存过期问题,第二个就是取名字。作为文章最后的烧脑环节,我们来聊聊取名字这个事吧。

我来提几个看起来「无厘头」的问题:

  • 数组的 map 函数和 Optinal 的 map 函数的实现差别巨大?但是为什么都叫 map 这个名字?
  • 数组的 flatMap 函数和 Optinal 的 flatMap 函数的实现差别巨大?但是为什么都叫 flatMap 这个名字?
  • 数组的 flatMap 有两个重载的函数,两个重载的函数差别巨大,但是为什么都叫 flatMap 这个名字?

在我看来,这样的取名其实都是有背后的原因的,我试着分享一下我的理解。我们先说结论,然后再解释。这段结论来自:http://www.mokacoding.com/blog/functor-applicative-monads-in-pictures/

  • 数组和 Optional 的 map 函数都叫一样的名字,是因为它们都是 Functor
  • 数组和 Optinal 的 flatMap 函数都叫一样的名字,是因为它们都是 Monad

好吧,我猜你心里开始骂娘了:「为了解释一个问题,引入了两个新问题:谁知道什么是 Functor 和 Monad !」

不要着急,我们先说严谨的结论有助于更好地总结和归纳,我下面试着解释一下 Functor 和 Monad。

Functor

Functor 在 Wikipedia 上的定义非常学术。我想了一个相对比较容易理解的定义:所谓的 Functor,就是可以把一个函数应用于一个「封装过的值」上,得到一个新的「封装过的值」。通常情况下,我们会把这个函数叫做 map

什么叫做「封装过的值」呢?数组就是对值的一种封装,Optional 也是对值的一种封装。如果你愿意,你也可以自己封装一些值,比如把网络请求的结果和网络异常封装在一起,做成一个 enum (如下所示)。

enum Result<T> {
    case Success(T)
    case Failure(ErrorType)
}

一个值能否成为「封装过的值」,取决于这个值的类型所表示的集合,通过 map 函数,能否映射到一个新集合中。这个新集合,也要求能够继续使用 map 函数,再映射到另外一个集合。

我们拿数组和 Optional 类型来检查这个规则,就会发现是符合的:

  • 数组可以通过 map 函数,生成一个新的数组,新的数组可以继续使用 map 函数。
  • Optional 可以通过 map 函数,生成一个新的 Optional 变量,新的 Optional 变量可以继续使用 map 函数。

所以,数组 和 Optional 都是 Functor。

Monad

如果你能理解 Functor,那么 Monad 就相对容易一些了。所谓的 Monad,和 Functor 一样,也是把一个函数应用于一个「封装过的值」上,得到一个新的「封装过的值」。不过差别在于:

  • Functor 的函数定义是从「未封装的值」到「未封装的值」的
  • Monad 的函数定义是从「未封装的值」到「封装后的值」的。

下面我举例解释一下:

刚刚我们说,数组 和 Optional 都是 Functor,因为它们支持用 map 函数做「封装过的值」所在集合的变换。那么,你注意到了吗?map 函数的定义中,输入的参数和返回的结果,都不是「封装过的值」,而是「未封装的值」。什么是「未封装的值」?

  • 对于数组来说,「未封装的值」是数组里面一个一个的元素,map 函数的闭包接受的是一个一个的元素,返回的也是一个一个的元素。
  • 对于 Optional 来说,「未封装的值」是 Optional 解包出来的值,map 函数的闭包接受的是解包出来的值,返回的也是解包出来的值。

下面是数组的示例代码,我故意加上了闭包的参数,我们再观察一下。我们可以发现,map 的闭包接受的是 Int 类型,返回的是 String 类型,都是一个一个的元素类型,而不是数组。

// map 的闭包接受的是 Int 类型,返回的是 String 类型,都是一个一个的元素类型,而不是数组。
let arr = [1, 2, 4]
let brr = arr.map {
    (element: Int) -> String in
    "No." + String(element)
}

下面是 Optional 的示例代码,我也故意加上了闭包的参数。我们可以发现,map 的闭包接受的是 Int 类型,返回的是 Int 类型,都是非 Optional 的。

// map 的闭包接受的是 Int 类型,返回的是 Int 类型,都是非 Optional 的。
let tq: Int? = 1
tq.map { (a: Int) -> Int in
    a * 2
}

我们刚刚说,对于 Monad 来说,它和 Functor 的差异实在太小,小到就只有闭包的参数类型不一样。数组实现了 flatMap ,它就是一种 Monad,下面我们就看看 flatMap 在数组中的函数定义,我们可以看出,闭包接受的是数组的元素,返回的是一个数组(封装后的值)。

// 闭包接受的是数组的元素,返回的是一个数组(封装后的值)
let arr = [1, 2, 3]
let brr = arr.flatMap {
    (element:Int) -> [Int] in
    return [element * 2]
}

下面是 flatMap 在 Optional 中的定义,我们可以看出,闭包接受的是 Int 类型,返回的是一个 Optional(封装后的值)。

// 闭包接受的是 Int 类型,返回的是一个 Optional(封装后的值)
let tq: Int? = 1
tq.flatMap { (a: Int) -> Int? in
    if a % 2 == 0 {
        return a
    } else {
        return nil
    }
}

所以本质上,mapflatMap 代表着一类行为,我们把这类行为叫做 Functor 和 Monad。它们的差异仅仅在于闭包函数的参数返回类型不一样。所以,我们才会把数组和 Optional 这两个差别很大的类型,都加上两个实现差别很大的函数,但是都取名叫 mapflatMap

多重 Optional

我们在第一节烧脑文章中提到过多重 Optional,在使用 map 的时候不仔细,就会触发多重 Optional 的问题。比如下面这个代码,变量 b 因为是一个两层嵌套的 nil,所以 if let 失效了。

let tq: Int? = 1
let b = tq.map { (a: Int) -> Int? in
    if a % 2 == 0 {
        return a
    } else {
        return nil
    }
}
if let _ = b {
    print("not nil")
}

解决办法是把 map 换成 flatMap 即可。

总结

讨论完了,我们总结一下:

  • 数组和 Optional 都能支持 mapflatMap 函数。
  • 数组的 flatMap 有两个重载的实现,一个实现等价于先 mapflatten,另一个实现用于去掉结果中的 nil。
  • 通过阅读源码,我们更加深入理解了 mapflatMap 函数内部的机制。
  • 我们讨论了 mapflatMap 的取名问题,最后得出:一个类型如果支持 map,则表示它是一个 Functor;一个类型如果支持 flatMap,则表示它是一个 Monad
  • 我们讨论了 map 中使用不当造成的多重 Optional 问题。

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