重识Java8函数式编程

Posted 2021-04-09 Java开发乐园

前言

最近真的是太忙忙忙忙忙了，很久没有更新文章了。最近工作中看到了几段关于函数式编程的代码，但是有点费解，于是就准备总结一下函数式编程。很多东西很简单，但是如果不总结，可能会被它的各种变体所困扰。接触Lambda表达式已经很久了，但是也一直是处于照葫芦画瓢的阶段，所以想自己去编写相关代码，也有些捉襟见肘。

1. Lambda表达式的不同形式

// 基本形式
参数 -> 主体

1.1 形式一

Runnable noArguments = () -> System.out.println("Hello World");

该形式的Lambda表达式不包含参数，使用空括号()表示没有参数。它实现了Runnable接口，该接口也只有一个run方法，没有参数，且返回类型为void。

1.2 形式二

ActionListener oneArgument = event -> System.out.println("button clicked");

该形式的Lambda表达式包含且只包含一个参数，可省略参数的符号。

1.3 形式三

Runnable multiStatement = () -> {
System.out.print("Hello"); 
   System.out.println(" World"); 
};

Lambda表达式的主体不仅可以是一个表达式，而且也可以是一段代码块，使用大括号{}将代码块括起来。该代码块和普通方法遵循的规则别无二致，可以用返回或抛出异常来退出。只有一行代码的Lambda表达式也可以使用大括号，用以明确Lambda表达式从何处开始，到哪里结束。

1.4 形式四

BinaryOperator<Long> add = (x, y) -> x + y;

Lambda表达式也可以表示包含多个参数的方法，上面的Lambda表达式并不是将两个数字相加，而是创建了一个函数，用来计算两个数字相加的结果。变量add的类型时BinaryOperator<Long>，它不是两个数字的和，而是将两个数字相加的那行代码。

1.5 形式五

BinaryOperator<Long> addExplicit = (Long x, Long y) -> x + y;

到目前为止，所有Lambda表达式中的参数类型都是由编译器推断得出的。但有时最好也可以显示声明参数类型，此时就需要使用小括号将参数括起来，多个参数的情况也是如此。

2. 引用值，而不是变量

如果你曾使用过匿名内部类，也许遇到过这样的情况：需要引用它所在方法里的变量。这时，需要将变量声明为final。

final String name = getUserName(); 
button.addActionListener(new ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent event) { 
       System.out.println("hi " + name); 
  } 
});

将变量声明为 final，意味着不能为其重复赋 值。同时也意味着在使用 final 变量时，实际上是在使用赋给该变量的一个特定的值。

Java 8 虽然放松了这一限制，可以引用非 final 变量，但是该变量在既成事实上必须是 final(意思就是你不能再次对该变量赋值)。虽然无需将变量声明为 final，但在 Lambda 表达式中，也无法用作非终态变量。如 果坚持用作非终态变量，编译器就会报错。既成事实上的 final 是指只能给该变量赋值一次。换句话说，Lambda 表达式引用的是值， 而不是变量。

例如：

String name = getUserName(); 
button.addActionListener(event -> System.out.println("hi " + name));

3. 函数接口

在 Java 里，所有方法参数都有固定的类型。假设将数字 3 作为参数传给一个方法，则参数 的类型是 int。那么，Lambda 表达式的类型又是什么呢？

使用只有一个方法的接口来表示某特定方法并反复使用，是很早就有的习惯。使用 Swing 编写过用户界面的人对这种方式都不陌生，这里无需再标新立异，Lambda 表达式也使用同样的技巧，并将这种接口称为函数接口。

接口中单一方法的命名并不重要，只要方法签名和 Lambda 表达式的类型匹配即可。可在函数接口中为参数起一个有意义的名字，增加代码易读性，便于更透彻 地理解参数的用途。

3.1 Java中重要的函数接口

接口	参数	返回类型	示例
Predicate<T>	T	boolean	判断是否
Consumer<T>	T	void	输出一个值
Function<T,R>	T	T	获得对象的名字
Supplier<T>	None	T	工厂方法
UnaryOperator<T>	T	T	逻辑非（!）
BinaryOperator<T>	(T, T)	T	求两个数的乘积（*）

3.2 函数接口定义

定义函数接口需要使用到注解@FunctionalInterface

例如：

@FunctionalInterface
public interface MyFuncInterface {
void print();
}

使用：

public class MyFunctionalInterfaceTest {
   public static void main(String[] args) {
       doPrint(() -> System.out.println("java"));
  }

   public static void doPrint(MyFuncInterface my) {
       System.out.println("请问你喜欢什么编程语言？");
       my.print();
  }
}

说明：

这只是一个很简单的例子，有人觉得为什么要搞这么复杂，去定义一个接口？这个问题还是读者在平时的工作中去感悟吧，总之，先学会怎么用它。不至于看了别人写的代码都看不懂。

至于我个人的理解，可以简单聊聊。以前写过javascript，里面有一种语法就是将自定义函数B作为参数传递到另外一个函数A里面，在函数A里面会执行你自定义的函数B逻辑，我当时就非常喜欢这种特性，因为每个人关于函数B的实现可能不一样，亦或者场景不一样也会导致函数B的实现不一样。我觉得Java8的这个函数式编程就是对这一特性的补充。

4. 流

流的常用操作有很多，例如collect(toList())、map、filter、max、min等，下面介绍一下flatMap和reduce。

4.1 flatMap

flatMap 方法可用 Stream 替换值，然后将多个 Stream 连接成一个 Stream。

List<Integer> together = Stream.of(asList(1, 2), asList(3, 4))  
  .flatMap(numbers -> numbers.stream())
  .collect(toList()); 
assertEquals(asList(1, 2, 3, 4), together);

调用 stream 方法，将每个列表转换成 Stream 对象，其余部分由 flatMap 方法处理。flatMap 方法的相关函数接口和 map 方法的一样，都是 Function 接口，只是方法的返回值 限定为 Stream 类型罢了。

4.2 reduce

reduce 操作可以实现从一组值中生成一个值。对于 count、min 和 max 方 法，因为常用而被纳入标准库中。事实上，这些方法都是 reduce 操作。

如何通过 reduce 操作对 Stream 中的数字求和。以 0 作起点——一个空Stream 的求和结果，每一步都将 Stream 中的元素累加至 accumulator，遍历至 Stream 中的 最后一个元素时，accumulator 的值就是所有元素的和。

int count = Stream.of(1, 2, 3)
  .reduce(0, (acc, element) -> acc + element); 
assertEquals(6, count);

Lambda 表达式的返回值是最新的 acc，是上一轮 acc 的值和当前元素相加的结果。reducer 的类型是前面已介绍过的 BinaryOperator。

5. Optional

reduce 方法的一个重点尚未提及：reduce 方法有两种形式，一种如前面出现的需要有一 个初始值，另一种方式则不需要有初始值。没有初始值的情况下，reduce 的第一步使用 Stream 中的前两个元素。有时，reduce 操作不存在有意义的初始值，这样做就是有意义的，此时，reduce 方法返回一个 Optional 对象。

Optional 是为核心类库新设计的一个数据类型，用来替换 null 值。人们对原有的 null 值有很多抱怨。人们常常使用 null 值表示值不存在，Optional 对象能更好地表达这个概念。使用 null 代 表值不存在的最大问题在于 NullPointerException。一旦引用一个存储 null 值的变量，程 序会立即崩溃。使用 Optional 对象有两个目的：首先，Optional 对象鼓励程序员适时检查变量是否为空，以避免代码缺陷；其次，它将一个类的 API 中可能为空的值文档化，这比阅读实现代码要简单很多。

下面我们举例说明 Optional 对象的 API，从而切身体会一下它的使用方法。使用工厂方法 of，可以从某个值创建出一个 Optional 对象。Optional 对象相当于值的容器，而该值可以 通过 get 方法提取。

Optional<String> a = Optional.of("a"); 
assertEquals("a", a.get());

Optional 对象也可能为空，因此还有一个对应的工厂方法 empty，另外一个工厂方法 ofNullable 则可将一个空值转换成 Optional 对象。下面的代码同时展示 了第三个方法 isPresent 的用法（该方法表示一个 Optional 对象里是否有值）。

Optional emptyOptional = Optional.empty(); 
Optional alsoEmpty = Optional.ofNullable(null); assertFalse(emptyOptional.isPresent());

使用 Optional 对象的方式之一是在调用 get() 方法前，先使用 isPresent 检查 Optional 对象是否有值。使用 orElse 方法则更简洁，当 Optional 对象为空时，该方法提供了一个 备选值。如果计算备选值在计算上太过繁琐，即可使用 orElseGet 方法。该方法接受一个 Supplier 对象，只有在 Optional 对象真正为空时才会调用。

assertEquals("b", emptyOptional.orElse("b")); 
assertEquals("c", emptyOptional.orElseGet(() -> "c"));

最后

实践是检验真理的唯一标准，多写代码，多思考，你的代码才会越来越好。