Java8和Scala中的Lambda表达式

Posted 2023-03-17

参考技术A     Java 终于要支持Lambda表达式！自 年以来Lambda表达式已经在Lambda项目中被支持 在那时候 Lambda表达式仍被称为Java闭包 在我们进入一些代码示例以前 先来解释下为什么Lambda表达式在Java程序员中广受欢迎         为什么使用Lambda表达式        Lambda表达式通常使用在图形用户界面（GUI）的开发中 一般来说 GUI编程将程序行为和事件做连接 比如 当用户按下一个按钮（触发一个事件） 你的程序就需要去执行某些行为 可能是将一些数据储存到一个数据存储器中 在Swing中 可以使用ActionListener来实现         class ButtonHandler implements ActionListener         public void actionPerformed（ActionEvent e）                //do something                        class UIBuilder         public UIBuilder（）         button addActionListener（new ButtonHandler（））                         这个例子表明了 ButtonHandler 类作为一个回调替换的用法 在这里 ButtonHandler 类仅包含 ActionListener 接口定义的 actionPerformed 方法 我们可以使用匿名内部类来简化代码         class UIBuilder         public UIBuilder（）         button addActionListener（new ActionListener（）         public void actionPerformed（ActionEvent event）         //do something                ）                        这样代码简洁多了 更仔细的去看代码时 就会发现我们还创建一个只生成一个实例的类 而这个实例也仅仅持有一个独立的方法 这恰好是Lambda表达式所能解决的其中一类问题         Lambda表达式代替函数        一个lambda表达式从字面上讲就是一个函数 它定义了一个函数的输入参数和函数体 Java 中的 lambda表达式语法尚未确定 不过大致应该类似这个样子的         （type parameter） > function_body 一个具体的例子         （String s String s ） > s length（） s length（）         这个lambda表达式用来计算两个字符串的长度差 还有一些扩展的语法 比如避免参数的类型定义（我们马上见看到例子）还有使用和来支持多行定义         Collections sort（）        方法是lambda表达的理想例子 它允许我们将字符串按照长度排序         List<String> list = Array asList（ loooooong short tiny ）         Collections sort（list （String s String s ） > s length（） s length（））         > tiny short loooooong         所以 不像现在java必须要求的向sort方法输入一个已经实现的Comparator（比较器）而是传送一个lambda表达式我们就可以得到相同的结果         Lambda表达式代替闭包        lambda表达式有许多有趣的特性 其中之一是 它们是闭包 一个闭包允许函数访问直接词法作用域之外的变量         String outer = java （String s ） > s length（） outer length（）        在例子中 lambda表达式访问了字符串 outer 这个作用域之外定义的变量 对于内联闭包来说这是很难做到的         Lambda表达式也支持类型推论        类型推论是java 引入的但它同样适用于lambda表达式 简单来说 类型推论意味着程序员可以在任意一个编译器能够自动推断出类型的地方省略类型定义 如果类型推论能够应用到前面的排序lambda表达式上 那么它就能写成下面的样子         List<String> list = Arrays asList（…）         Collections sort（list （s s ） > s length（） s length（））         就像你所见到的一样 参数s 和s 的类型被省略了 因为编译器知道list是一个字符串集合 它知道被用来作为比较器的lambda表达式必定是相同的类型 因此 这个类型不需要显式地声明 即使你有这么做的自由         类型推论的主要优势就是减少样板代码 如果编译器可以为我们识别类型 为什么我们必须自己定义它们         珍爱Lambda表达式 远离匿名内部类        我们来体会下 为何lambda表达式和类型推论有助于简化我们前面所提到的回调例子         class UIBuilder         public UIBuilder（）         button addActionListener（e > //process ActionEvent e）                        我们下载直接传送一个lambda表达式进入 addActionListener 方法来代替前面定义的持有回调方法的类 除了减少模板代码和提高可读性以外 它使我们直接表达我们唯一感兴趣的事情 处理事件         在我们了解lambda表达式更多优势之前 先来看看在Scala中的lambda表达式副本         Scala中的Lambda表达式        在函数式编程中 函数是基本的构造块 Scala融合了java中的面向对象编程和函数式编程 在Scala中 一个lambda表达式是种叫做 函数 或者 函数文本 Scala中的函数属于一等公民 它们可以被分配给vals或者vars（最终变量或者非最终变量） 它们可以作为其他函数的参数 也可以组合成新的函数         在Scala中一个函数文本写成如下形式         （argument） => //funtion body        举例来说 前面提到的java 用来计算两个字符串长度差的 lambda 表达式 在Scala中写作如下         （s : String s :String） => s length s         length Scala中的函数文本也是闭包 它可以访问在直接词法作用域之外定义的变量         val outer = val myFuncLiteral = （y: Int） => y * outer  val result = myFuncLiteral（ ）  > 这个例子结果是         正如你所见 我们将函数文本分配给了变量 myFuncLiteral         java 的lambda表达式和Scala的函数文本在语法和语义上的相似性是十分明显的 从语义上讲它们是相同的 而语法上的唯一不同就是箭头符号（java > scala =>）和我们没有提到的简化符号 lishixinzhi/Article/program/Java/hx/201311/27132

Lambda表达式用法大比较: Scala和Java 8

最近几年Lambda表达式风靡于编程界. 很多现代编程语言都把它作为函数式编程的基本组成部分.
基于JVM的编程语言如Scala,Groovy还有Clojure把它们作为关键部分集成在语言中.现在Java8也加入了它们的行列.

有趣的是,对于JVM来说,Lambda表达式是完全不可见的,并没有匿名函数和Lamada表达式的概念,它只知道字节码是严格面向对象规范的.它取决于语言的作者和它的编译器在规范限制内创造出更新,更高级的语言元素.

我们第一次接触它是在我们要给Takipi添加Scala支持的时候, 我们不得不深入研究Scala的编译器.伴随着JAVA8的来临,我认为探究Scala和java编译器是如何实现Lambda表达式是非常有趣的事情.结果也是相当出人意料.

接下来，我展示一个简单的Lambda表达式，用于将字符串集合转化成字符串自身长度的集合。

Java的写法 –

1List names = Arrays.asList("1", "2", "3");

2Stream lengths = names.stream().map(name -> name.length());

Scala的写法 –

1.val names = List("1", "2", "3")

2.val lengths = names.map(name =>name.length)

表面上看起来非常简单，那么后面的复杂东西是怎么搞的呢？

一起分析Scala的实现方式

The Code

我使用javap（jdk自带的工具）去查看Scala编译器编译出来的class类中所包含的字节码内容。让我们一起看看最终的字节码（这是JVM将真正执行的）

1.// 加载names对象引用,压入操作栈(JVM把它当成变量#2)

2.// 它将停留一会,直到被map函数调用.

3.aload_2

接下来的东西变得更加有趣了，编译器产生的一个合成类的实例被创建和初始化。从JVM角度，就是通过这个对象持有Lambda方法的。有趣的是虽然Lambda被定义为我们方法的一个组成部分，但实际上它完全存在于我们的类之外。

new myLambdas/Lambda1$$anonfun$1 //new一个lambda实例变量.
dup //把lambda实例变量引用压入操作栈.

// 最后,调用它的构造方法.记住,对于JVM来说,它仅仅只是一个普通对象.
invokespecial myLambdas/Lambda1$$anonfun$1/()V

//这两行长的代码加载了用于创建list的immutable.List CanBuildFrom工厂。
//这个工厂模式是Scala集合架构的一部分。
getstatic scala/collection/immutable/List$/MODULE$
Lscala/collection/immutable/List$;
invokevirtual scala/collection/immutable/List$/canBuildFrom()
Lscala/collection/generic/CanBuildFrom;

// 现在我们的操作栈中已经有了Lambda对象和工厂
// 接下来的步骤是调用map函数。
// 如果你记得，我们一开始已经将names对象引用压入操作栈顶。
// names对象现在被作为map方法调用的实例，
// 它也可以接受Lambda对象和工厂用于生成一个包含字符串长度的新集合。
invokevirtual scala/collection/immutable/List/map(Lscala/Function1;
Lscala/collection/generic/CanBuildFrom;)Ljava/lang/Object;

但是，等等，Lambda对象内部到底发生了什么呢？

Lambda 对象

Lambda类衍生自scala.runtime.AbstractFunction1。通过调用map函数可以多态调用被重写的apply方法，被重写的apply方法代码如下：

aload_0 //加载this对象引用到操作栈
aload_1 //加载字符串参数到操作栈
checkcast java/lang/String //检查是不是字符串类型

// 调用合成类中重写的apply方法
invokevirtual myLambdas/Lambda1$$anonfun$1/apply(Ljava/lang/String;)I

//包装返回值
invokestatic scala/runtime/BoxesRunTime/boxToInteger(I)Ljava/lang/Integer
areturn

真正用于执行length()操作的代码被嵌套在额外的apply方法中，用于简单的返回我们所期望的字符串长度。

我们前面走了一段很长的路，终于到这边了：

aload_1

invokevirtual java/lang/String/length()I

ireturn

对于我们上面写的简单的代码，最后生成了大量的字节码，一个额外的类和一堆新的方法。当然，这并不意味着会让我们放弃使用Lambda（我们是在写scala，不是C）。这仅仅表明了这些结构后面的复杂性.试想Lambda表达式的代码和复杂的东西将被编译成复杂的执行链。

我预计Java8会以相同的方式实现Lambda，但出人意料的是，他们使用了另一种完全不同的方式。

Java 8 – 新的实现方式

Java8的实现,字节码比较短，但是做的事情却很意外。它一开始很简单地加载names变量,并且调用它的stream方法,但它接下来做的东东就显得很优雅了.它使用一个Java7加入的一个新指令invokeDynamic去动态地连接lambda函数的真正调用点,从而代替创建一个用于包装lambda函数的对象.

aload_1 //加载names对象引用，压入操作栈

//调用它的stream()方法
invokeinterface java/util/List.stream:()Ljava/util/stream/Stream;

//神奇的invokeDynamic指令!
invokedynamic #0:apply:()Ljava/util/function/Function;

//调用map方法
invokeinterface java/util/stream/Stream.map:
(Ljava/util/function/Function;)Ljava/util/stream/Stream;

神奇的InvokeDynamic指令. 这个是JAVA 7新加入的指令,它使得JVM限制少了,并且允许动态语言运行时绑定符号.

动态链接. 如果你看到invokedynamic指令,你会发现实际上没有任何Lambda函数的引用(名为lambda$0)，这是因为invokedynamic的设计方式，简单地说就是lambda的名称和签名，如我们的例子-

// 一个名为Lamda$0的方法，获得一个字符串参数并返回一个Integer对象

lambdas/Lambda1.lambda$0:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Integer;

他们保存在.class文件中一个单独的表的条目中，执行invokedynamic时会将#0参数传给指令指针。这个新的表的确在很多年后的今天首次改变了字节码规范的结构，这也就需要我们改编Takipi的错误分析引擎来配合。

The Lambda code

下面这个字节码是真正的lambda表达式.然后就是千篇一律地、简单地加载字符串参数,调用length方法获得长度,并且包装返回值.注意它是作为静态方法编译的,从而避免了传递一个额外的this对象给他,就像我们前面看到的Scala中的做法.

aload_0

invokevirtual java/lang/String.length:()

invokestatic java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;

areturn

invokedynamic 方式的另一个优点是,它允许我们使用map函数多态地调用这个方法,而不需要去实例化一个封装对象或调用重写的方法.非常酷吧!

总结：探究java,这个最严格的的现代编程语言是如何使用动态连接加强它的lambda表达式是非常吸引人的事情.这是一个非常高效的方式,不需要额外的类加载,也不需要编译,Lambda方法是我们类中的另一个简单的私有方法.

Java 8 使用Java 7中引入的新技术，使用一个非常直接的方式实现了Lambda表达式，干得非常漂亮。像java这样”端庄”的淑女也可以教我们一些新的花样真是非常让人高兴。