函数式编程系列（一）Java 8 Lambda 表达式总结

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Lambda 表达式

Lambda 表达式总结：

lambda

Java 8 为函数式编程新增的重点 API：

api

函数式接口

函数式接口是只有一个抽象方法的接口，作为 Lambda 表达式和方法引用的目标类型。

JDK 8 新增了 9 组共 43 个通用型函数式接口，位于 java.util.function 包下，用来支持 Java 的函数式编程。接口如此之多的原因有二：

  • 为了支持不同的参数个数。如 UnaryOperator<T> 仅支持一个参数，而 BinaryOperator<T> 支持两个参数。这一点从接口命名及函数签名也能看出：

    • Unary 一元
    • Binary 二元
    • Ternary 三元
    • Quaternary 四元
    • ……

  • 泛型不支持原始数据类型。而在面对大数据量的流式 API 运算时，为了解决包装类在自动拆装箱的性能消耗，引入了 int、long、Double 原始数据类型的函数式接口。

    千万不要用带包装类型的基础函数接口来代替基本类型的函数接口。虽然可行，但它破坏了第 61 条的规则“基本类型优于装箱基本类型”。使用装箱基本类型进行批量操作处理，最终会导致致命的性能问题。——《Effective Java》

这些接口统计如下：

接口 函数签名 范例 范例 基本类型特化
Predicate<T> boolean test(T t) String::isEmpty 符合某个条件吗？ IntPredicate
LongPredicate
DoublePredicate
BiPredicate<T, U> boolean test(T t, U u)
Supplier<T> T get() Instant::now 无参的工厂方法 BooleanSupplier
IntSupplier
LongSupplier
DoubleSupplier
Consumer<T> void accept(T t) System.out::println 输出一个值 IntConsumer
LongConsumer
DoubleConsumer
BiConsumer<T, U> void accept(T t, U u) ObjIntConsumer<T>
ObjLongConsumer<T>
ObjDoubleConsumer<T>
Function<T, R> R apply(T t) Arrays::asList 类型转换 IntFunction<R>
IntToLongFunction
IntToDoubleFunction
LongFunction<R>
LongToIntFunction
LongToDoubleFunction
DoubleFunction<R>
DoubleToIntFunction
DoubleToLongFunction
ToIntFunction<T>
ToLongFunction<T>
ToDoubleFunction<T>
BiFunction<T, U, R> R apply(T t, U u) ToIntBiFunction<T, U>
ToLongBiFunction<T, U>
ToDoubleBiFunction<T, U>
UnaryOperator<T> T apply(T t) String::toUpperCase 格式转换 IntUnaryOperator
LongUnaryOperator
DoubleUnaryOperator
BinaryOperator<T> T apply(T t1, T t2) BigInteger::add 求两个数的加减乘除 IntBinaryOperator
LongBinaryOperator
DoubleBinaryOperator

以上接口都标注了 @FunctionalInterface。这是 Java 8 为函数式接口引入的一个新注解，有两个目的：

  • 告诉这个接口及其文档的读者，这个接口是针对 Lambda 设计的；
  • 用于编译级错误检查。加上该注解，当你写的接口不符合函数式接口定义的时候，编译器会报错。该注解会强制 javac 检查一个接口是否符合函数式接口的标准。如果该注释添加给一个枚举类型、类或另一个注解，或者接口包含不止一个抽象方法，javac 就会报错。重构代码时，使用它能很容易发现问题，因此建议必须始终用 @FunctionalInterface 注解对自己编写的函数式接口进行标注。

此外，函数式接口允许：

  • 函数式接口里允许定义默认方法，因为默认方法不是抽象方法，其有一个默认实现，所以是符合函数式接口的定义的。
  • 函数式接口里允许定义静态方法，因为静态方法不能是抽象方法，是一个已经实现了的方法，所以是符合函数式接口的定义的。
  • 函数式接口里允许定义 java.lang.Object 里的 public 方法。

方法引用

方法引用通过方法的名字来指向一个方法，可以使语言的构造更紧凑简洁，进一步减少冗余代码，尤其是 Lambda 表达式。

方法引用使用一对冒号 ::。

下面对比下方法引用简化 Lambda 表达式的例子：

方法引用类型 方法引用范例 Lambda 表达式
静态 Integer::parseInt str -> Integer.parseInt(str)
有限制 Instant.now()::isAfter Instant then = Instant.now();
t -> then.isAfter(t)
无限制 String::toLowerCase str -> str.toLowerCase()
类构造器 TreeMap<K, V>::new () -> new TreeMap<K, V>
数组构造器 int[]::new len -> new int[len]

例子

这里对比 JavaScript 和 Java 两门语言的例子，方便对比学习。

JavaScript 箭头函数

在 JavaScript 语言中，函数是一等公民（参考为何钟爱一等公民、知乎）。ES6 新特性允许使用“箭头”（=>）定义函数，语法简洁，使用如下：

没有参数，需要空括号：

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var f = () => 5;

// 等同于
var f = function () { return 5 };

// 5
var result = f();

一个参数，无需括号：

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var f = v => v;

// 等同于
var f = function (v) { return v; };

// 10
var result = f(10);

多个参数，需要括号：

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var sum = (num1, num2) => num1 + num2;

// 等同于
var sum = function(num1, num2) { return num1 + num2; };

// 20
var result = sum(10, 10);

箭头函数的一个用处是简化回调函数：

例子 1：

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// 正常函数写法
[1, 2, 3].forEach(function (x) {
  console.log(x);
})

// 箭头函数写法，结果 1 2 3
[1, 2, 3].forEach(x => console.log(x));

例子 2：

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// 正常函数写法
var result = [1, 2, 3].map(function (x) {
  return x * x;
});

// 箭头函数写法，结果 [1, 4, 9]
var result = [1, 2, 3].map(x => x * x);

例子 3：

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// 正常函数写法
var result = [2, 3, 1].sort(function (a, b) {
  return a - b;
});

// 箭头函数写法，结果 [1, 2, 3]
var result = [2, 3, 1].sort((a, b) => a - b);

例子 4：

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// 正常函数写法
var result = [1, 2, 3].filter(function (x) {
  return x > 1;
});

// 箭头函数写法，结果 [2, 3]
var result = [1, 2, 3].filter(x => x > 1);

Java Lambda 表达式

然而在 Java 语言中，函数并非一等公民。但可以利用 Lambda 表达式 + 函数式接口来模拟 JavaScript 类似的语法，对比如下：

没有参数，需要空括号：

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IntSupplier f = () -> 5;

// 5
int result = f.getAsInt();

一个参数，无需括号：

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ToIntFunction<Integer> f = i -> i;

// 10
int result = f.applyAsInt(10);

多个参数，需要括号：

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IntBinaryOperator sum = (num1, num2) -> num1 + num2;

// 使用方法引用进一步简化语法
// IntBinaryOperator sum = Integer::sum;

// 20
int result = sum.applyAsInt(10, 10);

Lambda 表达式同样可以简化回调函数：

例子 1：

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// 1 2 3
IntStream.of(1, 2, 3).forEach(x -> System.out.println(x));

// 使用方法引用进一步简化语法
// IntStream.of(1, 2, 3).forEach(System.out::println);

例子 2：

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// [1, 4, 9]
int[] result = IntStream.of(1, 2, 3).map(x -> x * x).toArray();

例子 3：

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// [1, 2, 3]
int[] result = Stream.of(2, 3, 1)
    .sorted((a, b) -> a - b)
    .mapToInt(Integer::intValue)
    .toArray();

// 使用方法引用进一步简化语法
// int[] result = Stream.of(2, 3, 1)
//     .sorted(Comparator.naturalOrder())
//     .mapToInt(Integer::intValue)
//     .toArray();

例子 4：

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// [2, 3]
int[] result = IntStream.of(1, 2, 3).filter(x -> x > 1).toArray();

使用场景

  • Java 8 引入了 Optional 类用于解决臭名昭著的空指针异常。它本质上是一个可以为 null 的容器对象，并提供了很多有用的方法，以函数式编程的风格简化 null 处理。
  • Stream API 是一种基于函数式编程的模型，用于增强集合处理。

参考

https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/javaOO/lambdaexpressions.html

https://docs.oracle.com/javase/tutorial/java/javaOO/methodreferences.html

https://docs.oracle.com/javase/tutorial/collections/streams/index.html

《Effective Java 第三版》：

  • 第 42 条：Lambda 优先于匿名类
  • 第 43 条：方法引用优先于 Lambda
  • 第 44 条：坚持使用标准的函数式接口（包括基本数据类型的函数式接口）
  • 第 45 条：谨慎使用 Stream（必要时也需要使用 Iterator 外部迭代器）
  • 第 46 条：优先选择 Stream 中无副作用的函数（使用收集器 Collectors 而不是 forEach）
  • 第 47 条：Stream 要优先用 Collection 作为返回类型
  • 第 48 条：谨慎使用 Stream 并行

《Java 8 函数式编程》

《Java 8 实战》

《万字长文详解 Java lambda 表达式 | 阿里技术》

《Java8 Lambda 实现源码解析 | 阿里技术》