陈怡霖：Java 的函数式接口

Posted 2021-06-25 原银科技

陈怡霖，2020年3月份加入中原银行，目前在信息技术部应用开发中心技术平台组从事后端开发工作。

近年来，Oracle 将 JDK 的更新周期缩短为半年。JDK 的每次更新都带来了新特性，如 JDK 9 的模块化、JDK 10 的局部变量类型推断、JDK 11 的增强版 HttpClient 、JDK 12的优化版switch、JDK 13的文本块、JDK14的打包工具等。不得不说，这些新特性惹人跃跃欲试。然而，大部分的 Java 项目仍运行在 JDK 8 上，所以学好 Java 8 才是王道。接下来给大家介绍 Java 8 的一项新特性：函数式接口。

 函数式接口的定义

函数式接口是只包含一个抽象方法的接口，该抽象方法的签名称作函数式接口的函数描述符。假如函数式接口的函数描述符为 ()->void，则该接口包含的抽象方法的入参、出参皆为空。

Java 中许多常见的接口都属于函数式接口，如 Runnable、Callable、Comparator等。下面是Runnable接口的定义。由于它只有一个名为 run 的抽象方法，所以属于函数式接口。

编译器会根据接口的结构自行判断它是否为函数式接口（判断过程并非简单地计算接口包含多少方法，因为接口可能包含超类方法、静态方法或默认方法），但还是建议使用 @FunctionalInterface 注解来声明一个接口是函数式接口：编译器会验证该注解标记的接口是否满足函数式接口的定义。该注解的作用与@Override相似：既增加了代码的可读性，又能强制编译器对被标注的内容进行检查。

  函数式接口的作用

谈及 Java 8 ，很多人会想到函数式编程。在函数式编程风格的程序中，除了基本类型和对象引用外，方法也可以作为“一等值”来传递。通过函数式接口和 lambda 表达式的配合使用，Java 实现了传递方法。

函数式接口和 lambda 表达式是如何实现传递方法的？首先探讨一个问题：对于给定的 lambda 表达式，它的类型是什么？答案是：编译器通过上下文所期待的类型（该类型被称作目标类型）来推导 lambda 表达式类型。也就是说，同样的表达式可以拥有不同的类型。在下述代码中，同样的 lambda 表达式分别是 Callable、PrivilegedAction 的实例。

lambda 表达式只能出现在目标类型为函数式接口的上下文中：lambda 表达式是函数式接口的一个实例。如果方法的形参中存在函数式接口，则可以将 lambda 表达式作为方法的实参。由于 lambda 表达式实现了函数式接口包含的抽象方法，则传递 lambda 表达式就是在传递方法。

根据Runnable接口的定义，它的实例应该是一个入参、出参皆为空的 lambda 表达式。因此下面的代码是有效的，该代码将打印“Hello world”。

函数式接口的分类  

java.util.function 中定义了许多新的函数式接口，它们可分为四类：Predicate<T>、Supplier<T>、Consumer<T>、Function<T,R>。此外还有五类常见的变种：BiPredicate<L,R>、BiConsumer<T,U>、BiFunction<T,U,R>、UnaryOperator<T>、BinaryOperator<T>。

·断言型接口Predicate<T>

Predicate<T> 有一个名为 test的抽象方法，该方法接收泛型T，返回boolean。

下面的getBoolean 方法形参为一个Predicate<Integer>和一个Integer。调用该方法时，传入的 lambda 表达式会判断传入的Integer是否大于7，所以代码将打印”true”。

·供给型接口Supplier<T>

Supplier<T>有一个名为get的抽象方法，该方法不接收参数，返回一个泛型T。

下面的produceData 方法形参为Supplier<String>。调用该方法时，传入的 lambda 表达式会返回”Produce data!“，所以代码将打印”Produce data!“。

·消费型接口Consumer<T>

Consumer<T>有一个名为accept的抽象方法，它接收一个泛型T，没有返回值。

下面的consumeData 方法形参为一个Consumer<String>和一个String。调用该方法时，传入的 lambda 表达式会打印传入的String，所以代码将打印”Consume data!“。

·转换型接口Function<T,R>

Function<T,R>有一个名为apply的抽象方法，它接收一个泛型T，并返回一个泛型R。

下面的transformData 方法形参为一个Function<String,Integer>和一个String。调用该方法时，传入的 lambda 表达式会返回传入的String的长度，所以代码将打印”5”。

·常见的变种

Predicate<T>、Consumer<T>、Function<T,R>的入参数目变为两个，就出现了BiPredicate<L,R>、BiConsumer<T,U>、BiFunction<T,U,R>。Function<T,R>的参数T、R两者类型相同时表示为UnaryOperator<T>；BiFunction<T,U,R>的参数T、U、R三者类型相同时表示为BinaryOperator<T>。

  函数式接口的原始类型特化

由于泛型只能绑定到引用类型，出现了装箱、拆箱的操作。装箱会把原始类型包裹后保存在堆中，因此需要更多的内存。通过函数式接口的原始类型特化，避免了出入参为原始类型时的装箱。

比如IntPredicate接口就是Predicate<T>的一种原始类型特化，它的定义如下：

下面的getBoolean方法时使用了IntPredicate接口，调用该方法时就避免了装箱，代码将打印“true”。

如果要对输入参数进行原始类型特化，则在原名称前加上原始类型，如DoubleConsumer。如果要对输出参数进行原始类型特化，则在原名称前加上字符串”To“和原始类型，如ToDoubleFunction<T>。

 总结

函数式接口是只包含一个抽象方法的接口，该抽象方法的签名称作函数式接口的函数描述符。编译器会根据接口的结构判断它是否为函数式接口，但还是建议通过 @FunctionalInterface 注解标记。编译器在读取到该注解后，会强制检查它标注的内容是否符合函数式接口的定义。

lambda 表达式为函数式接口的抽象方法提供实现， 而 lambda 表达式也可以看作函数式接口的一个实例。如果方法的形参中存在函数式接口，则可以将 lambda 表达式作为方法的实参。通过该机制，Java 实现了传递方法。

java.util.function 中定义了许多新的函数式接口，它们可分为四类：Predicate<T>、Supplier<T>、Consumer<T>、Function<T,R>。此外还有BiPredicate<L,R>、BiConsumer<T,U>、BiFunction<T,U,R>、UnaryOperator<T>、BinaryOperator<T>等变种。

原始类型特化可以在参数为原始类型时避免装箱。对入参进行原始类型特化在原名称前加上原始类型，如DoubleConsumer；对出参进行原始类型特化在原名称前加上字符串”To“和原始类型，如ToDoubleFunction<T>。还可以同时对入参、出参进行原始类型特化，如IntToDoubleFunction。

Java 8 中的常用函数式接口

参考资料

1.Raoul-Gabriel Urma, Mario Fusco, Alan Mycroft, 《Java 8 in Action》

2.Raoul-Gabriel Urma, Mario Fusco, Alan Mycroft, 《Modern Java in Action》

3.Richard Warburton, 《Java 8 Lambdas: Functional Programming for the Masses》

4.Ralph Lecessi, 《Functional Interfaces in Java: Fundamentals and Examples》

排版：张艺冉