谈谈 Java 对函数式编程的支持。

Posted 2021-04-06 时代Java

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什么是函数式编程

函数式编程的英文翻译是Functional Programming。

那到底什么是函数式编程呢？实际上，函数式编程没有一个严格的官方定义。严格上来讲，函数式编程中的“函数”，并不是指我们编程语言中的“函数”概念，而是指数学“函数”或者“表达式”（例如：y=f(x)）。不过，在编程实现的时候，对于数学“函数”或“表达式”，我们一般习惯性地将它们设计成函数。所以，如果不深究的话，函数式编程中的“函数”也可以理解为编程语言中的“函数”。

再具体到编程实现，函数式编程跟面向过程编程一样，也是以函数作为组织代码的单元。不过，它跟面向过程编程的区别在于，它的函数是无状态的。何为无状态？简单点讲就是，函数内部涉及的变量都是局部变量，不会像面向对象编程那样，共享类成员变量，也不会像面向过程编程那样，共享全局变量。函数的执行结果只与入参有关，跟其他任何外部变量无关。同样的入参，不管怎么执行，得到的结果都是一样的。这实际上就是数学函数或数学表达式的基本要求。举个例子：

// 有状态函数: 执行结果依赖b的值是多少，即便入参相同，// 多次执行函数，函数的返回值有可能不同，因为b值有可能不同。int b;int increase(int a) { return a + b;}// 无状态函数：执行结果不依赖任何外部变量值// 只要入参相同，不管执行多少次，函数的返回值就相同int increase(int a, int b) { return a + b;}

不同的编程范式之间并不是截然不同的，总是有一些相同的编程规则。比如不管是面向过程、面向对象还是函数式编程，它们都有变量、函数的概念，最顶层都要有main函数执行入口，来组装编程单元（类、函数等）。只不过，面向对象的编程单元是类或对象，面向过程的编程单元是函数，函数式编程的编程单元是无状态函数。

Java对函数式编程的支持

实现面向对象编程不一定非得使用面向对象编程语言，同理，实现函数式编程也不一定非得使用函数式编程语言。现在，很多面向对象编程语言，也提供了相应的语法、类库来支持函数式编程。

Java这种面向对象编程语言，对函数式编程的支持可以通过一个例子来描述：

public class Demo { public static void main(String[] args) { Optional<Integer> result = Stream.of("a", "be", "hello") .map(s -> s.length()) .filter(l -> l <= 3) .max((o1, o2) -> o1-o2); System.out.println(result.get()); // 输出2 }}

这段代码的作用是从一组字符串数组中，过滤出长度小于等于3的字符串，并且求得这其中的最大长度。

Java为函数式编程引入了三个新的语法概念：Stream类、Lambda表达式和函数接口（Functional Inteface）。Stream类用来支持通过“.”级联多个函数操作的代码编写方式；引入Lambda表达式的作用是简化代码编写；函数接口的作用是让我们可以把函数包裹成函数接口，来实现把函数当做参数一样来使用（Java 不像C那样支持函数指针，可以把函数直接当参数来使用）。

Stream类

假设我们要计算这样一个表达式：(3-1)*2+5。如果按照普通的函数调用的方式写出来，就是下面这个样子：

add(multiply(subtract(3,1),2),5);

不过，这样编写代码看起来会比较难理解，我们换个更易读的写法，如下所示：

subtract(3,1).multiply(2).add(5);

在Java中，“.”表示调用某个对象的方法。为了支持上面这种级联调用方式，我们让每个函数都返回一个通用的Stream类对象。在Stream类上的操作有两种：中间操作和终止操作。中间操作返回的仍然是Stream类对象，而终止操作返回的是确定的值结果。

再来看之前的例子，对代码做了注释解释。其中map、filter是中间操作，返回Stream类对象，可以继续级联其他操作；max是终止操作，返回的不是Stream类对象，无法再继续往下级联处理了。

public class Demo { public static void main(String[] args) { Optional<Integer> result = Stream.of("f", "ba", "hello") // of返回Stream<String>对象 .map(s -> s.length()) // map返回Stream<Integer>对象 .filter(l -> l <= 3) // filter返回Stream<Integer>对象 .max((o1, o2) -> o1-o2); // max终止操作：返回Optional<Integer> System.out.println(result.get()); // 输出2 }}

Lambda表达式

前面提到Java引入Lambda表达式的主要作用是简化代码编写。实际上，我们也可以不用Lambda表达式来书写例子中的代码。我们拿其中的map函数来举例说明。

下面三段代码，第一段代码展示了map函数的定义，实际上，map函数接收的参数是一个Function接口，也就是函数接口。第二段代码展示了map函数的使用方式。第三段代码是针对第二段代码用Lambda表达式简化之后的写法。实际上，Lambda表达式在Java中只是一个语法糖而已，底层是基于函数接口来实现的，也就是第二段代码展示的写法。

// Stream类中map函数的定义：public interface Stream<T> extends BaseStream<T, Stream<T>> { <R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper); //...省略其他函数...}
// Stream类中map的使用方法示例：Stream.of("fo", "bar", "hello").map(new Function<String, Integer>() { @Override public Integer apply(String s) { return s.length(); }});

// 用Lambda表达式简化后的写法：
Stream.of("fo", "bar", "hello").map(s -> s.length());

Lambda表达式包括三部分：输入、函数体、输出。表示出来的话就是下面这个样子：

(a, b) -> { 语句1；语句2；...; return 输出; } //a,b是输入参数

实际上，Lambda表达式的写法非常灵活。上面给出的是标准写法，还有很多简化写法。比如，如果输入参数只有一个，可以省略 ()，直接写成 a->{…}；如果没有入参，可以直接将输入和箭头都省略掉，只保留函数体；如果函数体只有一个语句，那可以将{}省略掉；如果函数没有返回值，return语句就可以不用写了。

Optional<Integer> result = Stream.of("f", "ba", "hello") .map(s -> s.length()) .filter(l -> l <= 3) .max((o1, o2) -> o1-o2); // 还原为函数接口的实现方式Optional<Integer> result2 = Stream.of("fo", "bar", "hello") .map(new Function<String, Integer>() { @Override public Integer apply(String s) { return s.length(); } }) .filter(new Predicate<Integer>() { @Override public boolean test(Integer l) { return l <= 3; } }) .max(new Comparator<Integer>() { @Override public int compare(Integer o1, Integer o2) { return o1 - o2; } });

Lambda表达式与匿名类的异同集中体现在以下三点上：

• Lambda就是为了优化匿名内部类而生，Lambda要比匿名类简洁的多得多。

• Lambda仅适用于函数式接口，匿名类不受限。

• 即匿名类中的this是“匿名类对象”本身；Lambda表达式中的this是指“调用Lambda表达式的对象”。

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