系统学习Lambda表达式

Posted 2020-12-20

在《挑苹果中的行为参数化思想》已经介绍了用Lambda表达式将行为抽象化，对Lambda表达式有一定认识。而本文将对Lambda表达式进行系统性的介绍。

1. 语法

首先我们要知道如何写Lambda表达式，或者说怎么样才能写出有效的Lambda表达式，这就需要了解其语法。
Lambda表达式由三部分组成：

1. 参数列表
2. 箭头
3. 主体
   
   Lambda表达式的三部分

有两种风格，分别是：

1. 表达式-风格

(parameters) -> expression

1. 块-风格

(parameters) -> { statements; }

依据上面的风格介绍，来试着判断下面给出的示例是否有效：

1. () -> {}
2. () -> "Apple"
3. () -> { return "Apple"; }
4. (Integer i) -> return "Apple" + i
5. (String s) -> { "Apple"; }

解析：（1）是块风格，没有语句；（2）是表达式风格，一个字符串表达式；（3）是块风格，有花括号和返回语句；（4）非有效，写了返回语句，但缺少花括号，补上花括号和分号，为块风格，而去掉return则为表达式风格；（5）非有效，"Apple"是一个字符串表达式，不是一个语句，加上return，或者去掉分号和花括号。

2. 函数式接口

Lambda表达式写好了，我们要知道哪里能用Lambda表达式。已知Lambda表达式可看作是匿名内部类的实现，那对于匿名内部类来说最重要的是类所实现的接口，而Lambda表达式是否可用于所有接口？答案“不是的”，Lambda表达式对接口有一定的要求，必须是函数式接口。

所谓的函数式接口指的是只定义一个抽象方法的接口。
例如：

public interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
}
public interface Runnable {
    void run();
}
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

可见上面三个接口都只有一个抽象方法，但是三个方法的签名都不一样，这要求Lambda表达式与实现接口的方法签名要一致。下面用函数描述符来表示上述三个方法的签名，箭头前面是方法的入参类型，后面是返回类型。

1. compare：(T, T) -> int，两个泛型T类型的入参，返回int类型
   Lambda表达式：（Apple a1, Apple a2） -> a1.getWeight - a2.getWeight
2. run：() -> void，无入参，无返回值
   Lambda表达式：() -> { System.out.println("Hi"); }
3. call：() -> V，无入参，返回一个泛型V类型的对象
   Lambda表达式：() -> new Apple()

看call方法的示例，你是否会疑惑，new Apple()是一个语句，为什么没有花括号和分号，是不是非有效的。你需要记住这是合法的，这是一个特殊的规定，不需要用括号环绕返回值为void的单行方法调用。

3. 常用的函数式接口

下面介绍在Java中内置的常用Lambda表达式：
3.1 Predicate

public interface Predicate<T> {
    boolean test(T t);
}

test：T -> boolean，接收一个泛型T对象，返回一个boolean。
适用场景：表示一个涉及类型T的布尔表达式。

// 判断空白字符串
Predicate<String> blankStrPredicate = s -> s != null && s.trim().length() == 0;
blankStrPredicate.test("  "); // true
// 判断苹果重量是否大于150
Predicate<Apple> heavyApplePredicate = a -> a.getWeight() > 150;
heavyApplePredicate.test(new Apple(100)); // false

注意，参数部分缺少了参数类型，是因为可根据上下文推断出Lambda表达式的参数类型，所以可以省略不写。比如这里因为将Lambda表达式赋值给一个Predicate类型的变量，又因为函数描述符为(T) -> boolean，则可推断出参数T的实际类型为String。而且当只有一个参数时，可以将括号也省略。
3.2 Consumer

public interface Consumer<T> {
    void accept(T t);
}

accept：T -> void，接收一个泛型T对象，无返回值（void）。
适用场景：访问类型T的对象，对其执行某些操作。

// 打印苹果重量
Consumer<Apple> appleWeighter = 
    a -> System.out.println("The apple weights " + a.getWeight() + " grams");
appleWeighter.accept(new Apple(200)); 
// The apple weights 200 grams

3.3 Supplier

public interface Supplier<T> {
    T get();
}

get：() -> T，无入参，返回一个泛型T对象。

适用场景：定义类型T的对象的生产规则。

Consumer<Apple> appleWeighter =
    (a) -> System.out.println("The apple weights " + a.getWeight() + " grams");
// 生产200克的苹果
Supplier<Apple> heavyAppleSupplier = () -> new Apple(200);
appleWeighter.accept(heavyAppleSupplier.get());

3.4 Function

public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);
}

apply：T -> R，接受一个泛型T对象，返回一个泛型R对象

适用场景：将输入对象转换输出。

double unitPrice = 0.01;
// 计算苹果价格
Function<Apple, Double> priceAppleFunction = a -> a.getWeight() * unitPrice;
priceAppleFunction.apply(new Apple(100)); // 1

这里做个补充，上面这段代码特别的地方在于使用到了外部的局部变量。Lambda表达式使用外部变量有什么要求？对于Lambda表达式所在的主体（类）的实例变量和静态变量，可以无限制使用，但局部变量必须显示声明为final或实际上是final的。声明为final好理解，什么是实际上是final的，意思就是不能被代码进行修改，比如这里的unitPrice虽然没有声明为final，但后续的代码并没有修改该变量，所以实际上也是final的。感兴趣的读者可以自己试下，对unitPrice进行修改，看下会发生什么。

3.5 Comparator

public interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
}

compare：(T, T) -> int，两个泛型T类型的入参，返回int类型
适用场景：比较两个对象

Comparator<Apple> weightComparator = 
    (a1, a2) -> a1.getWeight() - a2.getWeight();
weightComparator.compare(new Apple(100), new Apple(150)); // -1

4. 方法引用

Java还提供了一种更简洁的写法，先上示例：

Function<Apple, Integer> weightor = a -> a.getWeight();

可改写为：

Function<Apple, Integer> weightor = Apple::getWeight;

这种写法被称作方法引用，仅当在Lambda表达式中直接调用了一个方法时可以使用。其写法为目标引用::方法名称。

根据目标引用可分为三类：
（1）指向静态方法的方法引用
目标引用为类，调用其静态方法，例如：

Function<String, Integer> fun = s -> Integer.parseInt(s);

调用了 Integer 的静态方法 parseInt，可写为：

Function<String, Integer> fun = Integer::parseInt;

（2）指向任意类型实例方法的方法引用
目标引用为实例对象，调用其实例方法，例如：

Function<String, Integer> fun = s -> s.length();

调用了 String 类型实例 s 的 length 方法，可写为：

Function<String, Integer> fun = String::length;

目标引用写实例的类型。和第一种写法相同，只不过第一种的方法是静态方法，这里是实例方法。
（3）指向现存外部对象实例方法的方法引用
目标引用为现存外部对象，调用其实例方法，例如：

String s = "草捏子";
Supplier<Integer> len = () -> s.length();

调用了局部变量 s 的 length 方法，可写为：

String s = "草捏子";
Supplier<Integer> len = s::length;

目标引用写变量名，区别于前两种。

5. 复合Lambda表达式

之前的例子都是使用的单个Lambda表达式，现在我们把多个Lambda表达式组合在一起，构建更复杂一点的表达式。

5.1 比较器复合（Comparator）

我们使用 Comparator 对苹果进行排序，按重量从小到大：

List<Apple> apples = Arrays.asList(new Apple("red", 50), 
                                   new Apple("red", 100), 
                                   new Apple("green", 100));
apples.sort(Comparator.comparing(Apple::getWeight));

对 Comparator 的静态方法comparing 简单介绍下，接受一个 Function 类型的参数，返回一个 Comparator 类型的实例，定义如下：

public static <T, U extends Comparable<? super U>> Comparator<T> comparing(
    Function<? super T, ? extends U> keyExtractor)
{
    Objects.requireNonNull(keyExtractor);
    return (Comparator<T> & Serializable)
        (c1, c2) -> keyExtractor.apply(c1).compareTo(keyExtractor.apply(c2));
}

通过使用compareTo，实现了重量从小到大的排序，那想按重量从大到小排序，怎么办呢？可以使用 Comparator 的 reversed 方法：

apples.sort(Comparator.comparing(Apple::getWeight).reversed());
reversed 的实现如下：
default Comparator<T> reversed() {
    return Collections.reverseOrder(this);
}

使用工具类得到一个反序的 Comparator。你可能会好奇Comparator 作为一个接口，reversed 方法可以有具体的实现，接口的实例方法应该都是抽象方法，那它还是一个有效的函数式接口吗，或者说还是一个有效的接口吗？回想下第二节的内容，函数式接口是只定义一个抽象方法的接口。Comparator的抽象方法只有一个 compare，其他是具体方法，所以是合法的函数式接口。那么接口中为什么能定义具体方法呢？Java8 之前是不支持的，但在 Java8 中引入了 default 关键字。当在接口中用default声明一个方法时，允许它是一个具体方法。这样的好处在于，我们可以在Lambda表达式之后直接跟上一个具体方法，对Lambda表达式增强，实现更复杂的功能。在后文介绍的用于复合表达式的方法都是接口中的 default 方法。
下面我们试着实现更复杂的排序，在按重量从大到小排序后，按颜色排序：

apples.sort(Comparator.comparing(Apple::getWeight).reversed());
apples.sort(Comparator.comparing(Apple::getColor));

先后用两个Comparator。而使用 Comparator 的 thenComparing 方法可以继续连接一个 Comparator，从而构建更复杂的排序：

apples.sort(Comparator.comparing(Apple::getWeight)
            .reversed().thenComparing(Apple::getColor));

5.2 谓词复合（Predicate）
Predicate 的 test 方法 (T) -> boolean返回一个布尔表达式。类似 Java 在为布尔表达式提供的与或非，Predicate中也有对应的方法 and、or、negate。例如：

// 重的苹果
Predicate<Apple> heavyApple = a -> a.getWeight() > 100;
// 红的苹果
Predicate<Apple> redApple = a -> a.getColor().equals("red");

// 轻的苹果
Predicate<Apple> lightApple = heavyApple.negate();
// 不红的苹果
Predicate<Apple> nonRedApple = redApple.negate();
// 重且红的苹果
Predicate<Apple> heavyAndRedApple = heavyApple.and(redApple);
// 重或红的苹果
Predicate<Apple> heavyOrRedApple = heavyApple.or(redApple);

5.3 函数复合（Function）

Function (T) -> R，对输入做映射。我们通过将多个Function进行组合，实现将一个Function的输出作为另一个Function的输入，是不是有管道的感觉。下面请看具体的方法。

andThen方法，a.andThen(b)，将先执行a，再执行b。

Function<Integer, Integer> f = x -> x + 1;
Function<Integer, Integer> g = x -> x * 2;
Function<Integer, Integer> h = f.andThen(g);
int result = h.apply(1); // 4

compose方法，a.compose(b)，将先执行b，再执行a。

Function<Integer, Integer> f = x -> x + 1;
Function<Integer, Integer> g = x -> x * 2;
Function<Integer, Integer> h = f.compose(g);
int result = h.apply(1); // 3