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本笔记参考自: 《On Java 中文版》
函数式编程语言的一个特点就是其处理代码片段的简易性,就像处理数据一样简单。Java 8加入的lambda表达式和方法引用为函数式风格编程做出了一定的支持。
在计算机的早期时代,为了让程序能够适应有限的内存,程序员往往需要在程序执行时修改内存中的代码,让程序做出不同的行为,依此节省空间。这就是自修改代码技术。因为彼时的程序大都足够小,因此维护起来并不会太麻烦。
但随着内存的增大,自修改代码被认为是一个糟糕的想法,它极大地增加了程序的维护成本。尽管如此,这种使用代码以某种方式操纵其他代码的想法依旧十分吸引人:通过组合已经经过良好测试的代码,我们可以生产出更有效率、更加安全的代码。
函数式编程的意义就在于此:通过整合现有代码来产生新的功能,而不是从零开始编写所有内容,由此可以得到更加可靠、实现起来更快的代码。
面向对象编程抽象数据,而函数式编程抽象行为。
纯函数式语言在安全方面规定了额外的约束条件,所有的数据必须是不可变的:设置一次,永不改变。此时函数绝对不会修改现有值,而是只生成新值。(纯函数式语言在面对一些问题时能够提出一个好的解决,但这不代表纯函数式语言就是最好的解决方式)
Python等非函数式编程语言已经将函数式编程的概念纳入其中,并且受益匪浅。Java也加入了类似的特性。
通过将代码传递给方法,我们可以控制方法,使其产生出不同的行为。
旧的方式是创建一个对象(在下例中是Strategy),让其的某个方法包含所需行为,在将这个对象传递给我们想要控制的方法:
- package functional;
-
- import java.util.Locale;
-
- interface Strategy {
- String approch(String msg);
- }
-
- class Soft implements Strategy {
- @Override
- public String approch(String msg) {
- return msg.toLowerCase() + "?";
- }
- }
-
- class Unrelated {
- static String twice(String msg) {
- return msg + " " + msg;
- }
- }
-
- public class Strategize {
- Strategy strategy;
- String msg;
-
- Strategize(String msg) {
- strategy = new Soft(); // 将Soft()作为一个默认的决策
- this.msg = msg;
- }
-
- void communicate() {
- System.out.println(strategy.approch(msg));
- }
-
- void changeStrategy(Strategy strategy) {
- this.strategy = strategy;
- }
-
- public static void main(String[] args) {
- Strategy[] strategies = {
- new Strategy() { // 创建一个匿名内部类来改变行为,虽然依旧会有重复的代码
- @Override
- public String approch(String msg) {
- return msg.toUpperCase() + "!";
- }
- },
- msg -> msg.substring(0, 5), // 这就是Java 8开始提供的lambda表达式
- Unrelated::twice // 这也是Java 8中出现的方法引用
- };
-
- Strategize s = new Strategize("Hello there");
- s.communicate();
- for (Strategy newStrategy : strategies) {
- s.changeStrategy(newStrategy); // 遍历数组strategies中的每一个决策,并将其放入s中进行决策更换
- s.communicate(); // 更换决策后,每一次输出都会产生不同的结果:我们传递了行为,而被仅仅是数据
- }
- }
- }
程序执行的结果是:
Strategy提供的接口包含了唯一的approach()方法。通过创建不同的Strategy对象,就可以创建不同的行为。
在上述程序中,包含了默认的决策Soft()和一个匿名内部类。除此之外,还出现两个了Java 8添加的新内容:
msg -> msg.substring(0, 5)
这种表达式的特点是使用箭头->分隔参数和函数体。
Unrelated::twice
特点是::。其中,::左边是类名或对象名,右边是方法名,但没有参数列表。
在Java 8之前,使用普通的类或者匿名内部类来传递功能,但这种语法的并不方便。lambda表达式和方法引用改变了这种情况,使得传递功能变得更加便捷。
||| lambda表达式是使用尽可能少的语法编写的函数定义。
可以说,lambda表达式产生的是函数,而不是方法。当然,Java中的一切都是类,之所以lambda表达式会让人产生这种“错觉”,是因为幕后进行了各种各样的操作。作为程序员,我们可以将lambda表达式视为函数。
lambda表达式的语法宽松,且易于编写。例如:
- package functional;
-
- interface Description {
- String brief();
- }
-
- interface Body {
- String detailed(String head);
- }
-
- interface Multi {
- String twoArg(String head, Double d);
- }
-
- public class LambdaExpressions {
- static Body bod = h -> h + "No Parens!"; // 本条语句并不需要使用括号(仅限只有一个参数时)
- static Body bod2 = (h) -> h + "More details"; // 使用了括号。处于一致性的考虑,在只有一个参数时也使用括号
- static Description desc = () -> "Short info"; // 若没有参数,必须使用括号来指示空的参数列表
- static Multi mult = (h, n) -> h + n; // 有多个参数,此时必须将它们放在使用括号包裹的参数列表中
-
- static Description moreLines = () -> {
- System.out.println("moreLines()");
- return "from moreLines()";
- };
-
- public static void main(String[] args) {
- System.out.println(bod.detailed("Oh!"));
- System.out.println(bod2.detailed("Hi!"));
- System.out.println(desc.brief());
- System.out.println(mult.twoArg("Pi: ", 3.14159));
- System.out.println(moreLines.brief());
- }
- }
程序执行的结果是:
在上述的3个接口中,每个接口都有一个方法(这是后续会提到的函数式接口)。任何lambda表达式的基本语法如下:
注释中提到过,若没有参数,就必须使用括号来指示空的参数列表。
对一行的lambda表达式而言,方法体中表达式的结果会自动成为lambda表达式的返回值,所以这里使用return关键字是不和法的。另外,若lambda表达式需要多行代码,如上文中的moreLines,就需要将表达式的代码放入到花括号中。此时又会需要使用return从lambda表达式中生成一个值了。
可以看到,lambda表达式可以通过接口更方便地生成行为不同的对象。
最后,若仔细观察代码可以发现,lambda表达式返回的是一个方法引用。可以将这个引用打印出来:
- Body bod_other = new Body() { // 实现一个匿名内部类
- @Override
- public String detailed(String head) {
- return "";
- }
- };
-
- System.out.println(bod_other); // 打印普通类的信息
- System.out.println(bod); // 打印lambda表达式的引用
可以发现结果有所不同:
lambda表达式的末尾会有一串uuid(通用唯一识别码),用以区分方法。
递归
递归,即函数调用了自身。Java也允许编写递归的lambda表达式,但需要注意一点:这个lambda表达式必须被赋值给一个静态变量或一个实例变量。通过两个示例说明这些情况:
两个示例会使用一个相同的接口:
- interface IntCall {
- int call(int arg);
- }
【示例:静态变量】实现一个阶乘函数,递归计算小于等于n的正整数的乘积:
- public class RecursiveFactorial {
- static IntCall fact;
-
- public static void main(String[] args) {
- fact = n -> n == 0 ? 1 : n * fact.call(n - 1);
- for (int i = 0; i <= 10; i++)
- System.out.println(fact.call(i));
- }
- }
程序执行的结果是:
在这个例子中,fact就是一个静态变量。递归函数会不断调用其自身,因此必须有某种停止条件(在上述例子中是n == 0),否则就会陷入无限递归,直到栈空间被耗尽。
下方这种初始化fact的方式是不被允许的:
static IntCall fact = n -> n == 0 ? 1 : n * fact.call(n - 1);
这种处理对Java编译器而言还是太过复杂了,会导致编译错误。
---
【示例:示例变量】实现斐波那契数列:
- public class RecursiveFibonacci {
- IntCall fib;
-
- RecursiveFibonacci() {
- fib = n -> n == 0 ? 0 :
- n == 1 ? 1 :
- fib.call(n - 1) + fib.call(n - 2);
- }
-
- int fibonacci(int n) {
- return fib.call(n);
- }
-
- public static void main(String[] args) {
- RecursiveFibonacci rf = new RecursiveFibonacci();
- for (int i = 0; i <= 10; i++)
- System.out.println(rf.fibonacci(i));
- }
- }
程序执行的结果是:
Java 8提供的方法引用,其指向的是方法。方法引用的格式如下:
- interface Callable {
- void call(String s); // 与hello()和show()的签名了保持一致
- }
-
- class Describe {
- void show(String msg) {
- System.out.println(msg);
- }
- }
-
- public class MethodReferences {
- static void hello(String name) {
- System.out.println("Hello, " + name);
- }
-
- static class Description { // 定义一个内部类
- String about;
-
- Description(String desc) {
- about = desc;
- }
-
- void help(String msg) {
- System.out.println(about + " " + msg);
- }
- }
-
- static class Helper {
- static void assist(String msg) { // assist()是静态内部类中的一个静态方法
- System.out.println(msg);
- }
- }
-
- public static void main(String[] args) {
- Describe d = new Describe();
- Callable c = d::show; // 将Describe对象的show方法赋给了Callable
- c.call("call()"); // 通过call(),调用了show()
-
- c = MethodReferences::hello; // 等号右边是一个静态方法引用
- c.call("Bob");
-
- c = new Description("valuable")::help; // 对某个活跃对象上的方法的方法引用(“绑定方法引用”)
- c.call("information");
-
- c = Helper::assist; // 获得静态内部类中的静态方法的方法引用
- c.call("Help!");
- }
- }
程序执行的结果是:
在上述程序中,Callable.call()、Describe.show()和MethodReferences.hello(),这三者的签名保持了一致。这解释了为什么语句 Callable c = d::show; 及其之后的语句能够顺利编译。
Runnable是一个java.lang包提供的接口。这个包遵循特殊的单方法接口格式:它的run()方法没有参数,也没有返回值。
因此,可以将lambda表达式或方法引用用作Runnable:
- class Go {
- static void go() {
- System.out.println("方法引用Go::go()");
- }
- }
-
- public class RunnableMethodReference {
- public static void main(String[] args) {
- new Thread(new Runnable() {
- @Override
- public void run() {
- System.out.println("定义一个run()方法");
- }
- }).start();
-
- new Thread(() -> System.out.println("这是一个lambda表达式")).start();
-
- new Thread(Go::go).start();
- }
- }
程序执行的结果是:
Thread类在官方文档中的描述如下:
Thread会接受一个Runnable作为其构造器参数,它的start()方法会调用run()。
只有匿名内部类需要提供run()方法。
未绑定方法引用:指的是尚未关联到某个对象的普通(非静态)方法。对于未绑定引用,必须先提供对象,然后才能使用:
- class X {
- String f() {
- return "X::f()";
- }
- }
-
- interface MakeString {
- String make();
- }
-
- interface TransformX {
- String transform(X x);
- }
-
- public class UnboundMethodReference {
- public static void main(String[] args) {
- // MakeString ms = X::f; // 无效的方法引用
- TransformX sp = X::f;
- X x = new X();
-
- // 下列两条语句的效果是相同的
- System.out.println(sp.transform(x));
- System.out.println(x.f());
- }
- }
程序执行的结果是:
在上述例子之前,示例中对方法的引用,方法与其关联接口的签名是相同的。但这里出现了特例:
MakeString ms = X::f;
编译器不允许上述语句的编译,若强制执行,会引发报错(此为IDEA的报错信息):
这个报错指出X::f是一个未绑定方法引用,因为这里涉及到了一个隐藏的参数:this。若把这条有问题的语句换成下列语句,则没有问题:
- X x = new X();
- MakeString ms = x::f; // 无效的方法引用
上下两种语句的区别就在于,下方的语句提供了一个可供附着的X的对象x,这使得调动f()变为可能。X::f本身是无法“绑定到”一个对象上的。
显而易见,除了自己生成一个对象外,我们还有另一个方式能解决这个问题。关键在于,我们还需要一个额外的参数,如TransformX中所示:
String transform(X x);
这种做法告诉我们:函数式方法(接口中的单一方法)的签名与方法引用的签名不必完全匹配。
最后再看看这条语句:
System.out.println(sp.transform(x));
在前述知识的基础上,可以推断这条语句执行的过程:println()接受了一个未绑定引用,x作为参数在这个引用中调用了transform(),最终调用了x.f()。
若一个方法具有多个参数,则只需要让第一个参数使用这种this的模式即可:
- class This {
- void two(int i, double d) {
- }
-
- void three(int i, double d, String s) {
- }
-
- void four(int i, double d, String s, char c) {
- }
- }
-
- interface TwoArgs {
- void call2(This athis, int i, double d);
- }
-
- interface ThreeArgs {
- void call3(This athis, int i, double d, String s);
- }
-
- interface FourArgs {
- void call4(This athis, int i, double d, String s, char c);
- }
-
- public class MultiUnbound {
- public static void main(String[] args) {
- TwoArgs twoargs = This::two;
- ThreeArgs threeargs = This::three;
- FourArgs fourargs = This::four;
-
- This athis = new This();
- twoargs.call2(athis, 11, 2.14);
- threeargs.call3(athis, 11, 3.14, "Three");
- fourargs.call4(athis, 11, 3.14, "Four", 'Z');
- }
- }
同样的,也可以对构造器的引用进行捕获,此后通过这个引用来调用构造器:
- class Dog {
- String name;
- int age = -1;
-
- Dog() {
- name = "流浪狗";
- }
-
- Dog(String nm) {
- name = nm;
- }
-
- Dog(String nm, int yrs) {
- name = nm;
- age = yrs;
- }
- }
-
- interface MakeNoArgs {
- Dog make();
- }
-
- interface Make1Arg {
- Dog make(String nm);
- }
-
- interface Make2Args {
- Dog make(String nm, int age);
- }
-
- public class CtorReference {
- public static void main(String[] args) {
- // 所有这3个构造器都只有一个名字 ::new
- MakeNoArgs mna = Dog::new;
- Make1Arg m1a = Dog::new;
- Make2Args m2a = Dog::new;
-
- Dog dn = mna.make();
- Dog d1 = m1a.make("卡卡");
- Dog d2 = m2a.make("拉尔夫", 4);
- }
- }
注意语句Dog::new。3条相同的语句告诉我们,这些构造器都有(且只有)一个名字 —— ::new。并且每一个引用都被赋予了不同的接口,编译器可以从接口来推断所需使用的构造器。
在这里,调用函数式接口方法(make())意味着调用构造器。
方法引用和lambda表达式都需要先赋值,然后才能进行使用。而这些赋值都需要类型信息,让编译器确保类型的正确性。尤其是lambda表达式。例如:
x -> x.toString()
toString()方法会返回String,但上述语句并没有表示x的类型。这时候就需要进行类型推断了。因此,编译器必须要能够通过某种方式推断出x的类型。
还有其他例子:
- (x, y) -> x + y // 需要考虑String类型存在与否
- System.out::println
为了解决这种类型推断的问题,Java 8引入了包含一组接口的java.util.function,这些接口是lambda表达式和方法引用的目标类型。其中的每个接口都只包含了一个抽象方法(非抽象方法可以有多个),被称为函数式方法。
使用了这种”函数式方法“模式的接口,可以通过@FunctionalInterface注解来强制执行:
- @FunctionalInterface
- interface Functional { // 使用了注解
- String goodbye(String arg);
- }
-
- interface FunctionNoAnn { // 没有使用注解
- String goodbye(String arg);
- }
-
- //@FunctionalInterface
- //interface NoFunctional{ // 内置了两个方法,不符合函数式方法定义
- // String goodbye(String arg);
- // String hello(String arg);
- //}
-
- public class FunctionalAnnotation {
- public String goodbye(String arg) {
- return "Goodbye, " + arg;
- }
-
- public static void main(String[] args) {
- FunctionalAnnotation fa = new FunctionalAnnotation();
- Functional f = fa::goodbye;
- FunctionNoAnn fna = fa::goodbye;
- // Functional fac = fa; // 类型不兼容
-
- Functional f1 = arg -> "Goodbye, " + arg;
- FunctionNoAnn fnal = arg -> "Goodbye, " + arg;
- }
- }
@FunctionalInterface注解是可选的。当只有一个方法时,Java把main()中的Functional和FunctionalNoAnn都视为了函数式接口。
现在看向两条赋值语句:
- Functional f = fa::goodbye;
- FunctionNoAnn fna = fa::goodbye;
这两条赋值语句均把一个方法(这个方法甚至不是接口方法的实现)赋值给了一个接口引用。这是Java 8增加的功能:若把一个方法引用或lambda表达式赋值给某个函数式接口(且类型匹配),匿名Java会调整这次赋值,使其能够匹配目标接口。
在底层的实现中,Java编译器会创建一个实现了目标接口的类的示例,并将我们进行赋值的方法引用或lambda表达式包裹在其中。
使用了@FunctionalInterface注解的接口也叫做单一抽象方法。
命名规则
java.util.function旨在创建一套足够完备的接口。一般来说,可以通过接口的名字了解接口的作用。以下是基本的命名规则(也可以去官方文档进行查看):
因为基本类型的存在,Java在设计这些接口时不得不考虑众多的类型,这无疑增加了Java的复杂性。
例如:
- import java.util.function.*;
-
- class Foo {
- }
-
- class Bar {
- Foo f;
-
- Bar(Foo f) {
- this.f = f;
- }
- }
-
- class IBaz {
- int i;
-
- IBaz(int i) {
- this.i = i;
- }
- }
-
- class LBaz {
- long l;
-
- LBaz(long l) {
- this.l = l;
- }
- }
-
- class DBaz {
- double d;
-
- DBaz(double d) {
- this.d = d;
- }
- }
-
- public class FunctionVariants {
- static Function
f1 = f -> new Bar(f); - static IntFunction
f2 = i -> new IBaz(i); - static LongFunction
f3 = l -> new LBaz(l); - static ToLongFunction
f4 = lb -> lb.l; - static DoubleToIntFunction f5 = d -> (int) d;
-
- public static void main(String[] args) {
- Bar b = f1.apply(new Foo());
- IBaz ib = f2.apply(11);
-
- LBaz lb = f3.apply(12);
- long l = f4.applyAsLong(lb);
-
- int i = f5.applyAsInt(14);
- }
- }
在一些情况下,需要使用类型转换,否则编译器会报出截断错误。上述程序中的每个方法都会调用其关联的lambda表达式。
方法引用还有一些特别的用法:
- import java.util.function.BiConsumer;
-
- class In1 {
- }
-
- class In2 {
- }
-
- public class MethodConversion {
- static void accept(In1 i1, In2 i2) {
- System.out.println("accept()");
- }
-
- static void someOtherName(In1 i1, In2 i2) {
- System.out.println("somwOtherName()");
- }
-
- public static void main(String[] args) {
- BiConsumer
bic; -
- bic = MethodConversion::accept;
- bic.accept(new In1(), new In2());
-
- bic = MethodConversion::someOtherName;
- // bic.someOtherName(new In1(), new In2); //行不通
- bic.accept(new In1(), new In2());
- }
- }
程序执行的结果是:
以下是BitConSumer的文档说明:
这个接口有一个accept()方法可以被用作方法引用。并且,即使名字并不相同,如someOtherName(),只要参数类型和返回类型能够与BiConsumer的accept()相同,也没有问题。
使用函数式接口时,名字不重要,重要的是参数类型和返回类型。
Java会负责将我们起的名字映射到函数式方法上。若要调用我们的方法,就需要调用这个函数式方法的名字。
java.util.function中的接口是有限的,同时也是直观易懂的。因此,当我们需要的接口并没有在java.util.function中被提供时,我们也可以轻松地编写自己的接口:
- @FunctionalInterface
- public interface TriFunction
{ - R apply(T t, U u, V v);
- }
现在这个接口就可以被使用了:
- public class TriFunctionTest {
- static int f(int i, long l, double d) {
- return 99;
- }
-
- public static void main(String[] args) {
- TriFunction
tf = TriFunctionTest::f; - tf = (i, l, d) -> (i + l.intValue() + d.intValue());
- System.out.println(tf.apply(12, 12l, 12d));
- }
- }
程序执行成功,输出36。
可以通过使用BiConsumer这种面向对象的接口,开创建java.util.function中没有提供的,涉及int等基本类型的函数式接口:
- import java.util.function.BiConsumer;
-
- public class BiConsumerPermutations {
- static BiConsumer
bicid = (i, d) -> System.out.format("%d, %f%n", i, d); - static BiConsumer
bicdi = (d, i) -> System.out.format("%f, %d%n", d, i); - static BiConsumer
bicil = (i, l) -> System.out.format("%d, %d%n", i, l); -
- public static void main(String[] args) {
- bicid.accept(11, 45.14);
- bicdi.accept(11.45, 14);
- bicil.accept(1, 14L);
- }
- }
程序执行的结果是:
上述程序使用了System.out.format(),这个方法支持%n这种跨平台的字符。
这个例子中发生了自动装箱和自动拆箱,通过这种方式,我们可以获得处理基本类型的接口。同样的,可以在其他函数式接口中使用包装类:
- import java.util.function.Function;
- import java.util.function.IntToDoubleFunction;
-
- public class FunctionWithWrapped {
- public static void main(String[] args) {
- Function
fid = i -> (double) i; - IntToDoubleFunction fid2 = i -> i;
- }
- }
需要注意的是使用强制类型转换的时机,否则会出现报错。
可以发现,只需要通过包装类就可以获得一个用来处理基本类型的函数式接口。因此,若存在函数式接口的基本类型变种,其唯一的原因就是防止自动装箱/拆箱过程带来的性能损耗。