Java编程的逻辑 (91) - Lambda表达式

时间:2022-09-01 00:16:03

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Java编程的逻辑 (91) - Lambda表达式


在之前的章节中,我们的讨论基本都是基于Java 7的,从本节开始,我们探讨Java 8的一些特性,主要内容包括:

  • 传递行为代码 - Lambda表达式
  • 函数式数据处理 - 流
  • 组合式异步编程 - CompletableFuture
  • 新的日期和时间API

本节,我们先讨论Lambda表达式,它是什么?有什么用呢?

Lambda表达式是Java 8新引入的一种语法,是一种紧凑的传递代码的方式,它的名字来源于学术界的λ演算,具体我们就不探讨了。

理解Lambda表达式,我们先回顾一下接口、匿名内部类和代码传递。

通过接口传递代码

我们在19节介绍过接口以及面向接口的编程,针对接口而非具体类型进行编程,可以降低程序的耦合性、提高灵活性、提高复用性。接口常被用于传递代码,比如,在59节,我们介绍过File的如下方法:

public String[] list(FilenameFilter filter)
public File[] listFiles(FilenameFilter filter)

list和listFiles需要的其实不是FilenameFilter对象,而是它包含的如下方法:

boolean accept(File dir, String name);

或者说,list和listFiles希望接受一段方法代码作为参数,但没有办法直接传递这个方法代码本身,只能传递一个接口。

再比如,我们在53节介绍过Collections的一些算法,很多方法都接受一个参数Comparator,比如:

public static <T> int binarySearch(List<? extends T> list, T key, Comparator<? super T> c)
public static <T> T max(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp)
public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c)

它们需要的也不是Comparator对象,而是它包含的如下方法:

int compare(T o1, T o2);

但是,没有办法直接传递方法,只能传递一个接口。

我们在77节介绍过异步任务执行服务ExecutorService,提交任务的方法有:

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);

Callable和Runnable接口也用于传递任务代码。

通过接口传递行为代码,就要传递一个实现了该接口的实例对象,在之前的章节中,最简洁的方式是使用匿名内部类,比如:

//列出当前目录下的所有后缀为.txt的文件
File f = new File(".");
File[] files = f.listFiles(new FilenameFilter(){
@Override
public boolean accept(File dir, String name) {
if(name.endsWith(".txt")){
return true;
}
return false;
}
});

将files按照文件名排序,代码为:

Arrays.sort(files, new Comparator<File>() {

    @Override
public int compare(File f1, File f2) {
return f1.getName().compareTo(f2.getName());
}
});

提交一个最简单的任务,代码为:

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);
executor.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("hello world");
}
});

Lambda表达式

语法

Java 8提供了一种新的紧凑的传递代码的语法 - Lambda表达式。对于前面列出文件的例子,代码可以改为:

File f = new File(".");
File[] files = f.listFiles((File dir, String name) -> {
if (name.endsWith(".txt")) {
return true;
}
return false;
});

可以看出,相比匿名内部类,传递代码变得更为直观,不再有实现接口的模板代码,不再声明方法,也名字也没有,而是直接给出了方法的实现代码。Lambda表达式由->分隔为两部分,前面是方法的参数,后面{}内是方法的代码。

上面代码可以简化为:

File[] files = f.listFiles((File dir, String name) -> {
return name.endsWith(".txt");
});

当主体代码只有一条语句的时候,括号和return语句也可以省略,上面代码可以变为:

File[] files = f.listFiles((File dir, String name) -> name.endsWith(".txt"));

注意,没有括号的时候,主体代码是一个表达式,这个表达式的值就是函数的返回值,结尾不能加分号;,也不能加return语句。

方法的参数类型声明也可以省略,上面代码还可以继续简化为:

File[] files = f.listFiles((dir, name) -> name.endsWith(".txt"));

之所以可以省略方法的参数类型,是因为Java可以自动推断出来,它知道listFiles接受的参数类型是FilenameFilter,这个接口只有一个方法accept,这个方法的两个参数类型分别是File和String。

这样简化下来,代码是不是简洁清楚多了?

排序的代码用Lambda表达式可以写为:

Arrays.sort(files, (f1, f2) -> f1.getName().compareTo(f2.getName())); 

提交任务的代码用Lambda表达式可以写为:

executor.submit(()->System.out.println("hello"));

参数部分为空,写为()。

当参数只有一个的时候,参数部分的括号可以省略,比如,File还有如下方法:

public File[] listFiles(FileFilter filter)

FileFilter的定义为:

public interface FileFilter {
boolean accept(File pathname);
}

使用FileFilter重写上面的列举文件的例子,代码可以为:

File[] files = f.listFiles(path -> path.getName().endsWith(".txt"));

变量引用

与匿名内部类类似,Lambda表达式也可以访问定义在主体代码外部的变量,但对于局部变量,它也只能访问final类型的变量,与匿名内部类的区别是,它不要求变量声明为final,但变量事实上不能被重新赋值。比如:

String msg = "hello world";
executor.submit(()->System.out.println(msg));

可以访问局部变量msg,但msg不能被重新赋值,如果这样写:

String msg = "hello world";
msg = "good morning";
executor.submit(()->System.out.println(msg));

Java编译器会提示错误。

这个原因与匿名内部类是一样的,Java会将msg的值作为参数传递给Lambda表达式,为Lambda表达式建立一个副本,它的代码访问的是这个副本,而不是外部声明的msg变量。如果允许msg被修改,则程序员可能会误以为Lambda表达式会读到修改后的值,引起更多的混淆。

为什么非要建副本,直接访问外部的msg变量不行吗?不行,因为msg定义在栈中,当Lambda表达式被执行的时候,msg可能早已被释放了。如果希望能够修改值,可以将变量定义为实例变量,或者,将变量定义为数组,比如:

String[] msg = new String[]{"hello world"};
msg[0] = "good morning";
executor.submit(()->System.out.println(msg[0]));

与匿名内部类比较

从以上内容可以看出,Lambda表达式与匿名内部类很像,主要就是简化了语法,那它是不是语法糖,内部实现其实就是内部类呢?答案是否定的,Java会为每个匿名内部类生成一个类,但Lambda表达式不会,Lambda表达式通常比较短,为每个表达式生成一个类会生成大量的类,性能会受到影响。

Java利用了Java 7引入的为支持动态类型语言引入的invokedynamic指令、方法句柄(method handle)等,具体实现比较复杂,我们就不探讨了,感兴趣可以参看http://cr.openjdk.java.net/~briangoetz/lambda/lambda-translation.html,我们需要知道的是,Java的实现是非常高效的,不用担心生成太多类的问题。

Lambda表达式不是匿名内部类,那它的类型到底是什么呢?是函数式接口。

函数式接口

Java 8引入了函数式接口的概念,函数式接口也是接口,但只能有一个抽象方法,前面提及的接口都只有一个抽象方法,都是函数式接口。之所以强调是"抽象"方法,是因为Java 8中还允许定义其他方法,我们待会会谈到。Lambda表达式可以赋值给函数式接口,比如:

FileFilter filter = path -> path.getName().endsWith(".txt");
FilenameFilter fileNameFilter = (dir, name) -> name.endsWith(".txt");
Comparator<File> comparator = (f1, f2) -> f1.getName().compareTo(f2.getName());
Runnable task = () -> System.out.println("hello world");

如果看这些接口的定义,会发现它们都有一个注解@FunctionalInterface,比如:

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
public abstract void run();
}

@FunctionalInterface用于清晰地告知使用者,这是一个函数式接口,不过,这个注解不是必需的,不加,只要只有一个抽象方法,也是函数式接口。但如果加了,而又定义了超过一个抽象方法,Java编译器会报错,这类似于我们在85节介绍的Override注解。

预定义的函数式接口

接口列表

Java 8定义了大量的预定义函数式接口,用于常见类型的代码传递,这些函数定义在包java.util.function下,主要的有:

Java编程的逻辑 (91) - Lambda表达式

对于基本类型boolean, int, long和double,为避免装箱/拆箱,Java 8提供了一些专门的函数,比如,int相关的主要函数有:

Java编程的逻辑 (91) - Lambda表达式

这些函数有什么用呢?它们被大量使用于Java 8的函数式数据处理Stream相关的类中,关于Stream,我们下节介绍。

即使不使用Stream,也可以在自己的代码中直接使用这些预定义的函数,我们看一些简单的示例。

Predicate示例

为便于举例,我们先定义一个简单的学生类Student,有name和score两个属性,如下所示,我们省略了getter/setter方法。

static class Student {
String name;
double score; public Student(String name, double score) {
this.name = name;
this.score = score;
}
}

有一个学生列表:

List<Student> students = Arrays.asList(new Student[] {
new Student("zhangsan", 89d),
new Student("lisi", 89d),
new Student("wangwu", 98d) });

在日常开发中,列表处理的一个常见需求是过滤,列表的类型经常不一样,过滤的条件也经常变化,但主体逻辑都是类似的,可以借助Predicate写一个通用的方法,如下所示:

public static <E> List<E> filter(List<E> list, Predicate<E> pred) {
List<E> retList = new ArrayList<>();
for (E e : list) {
if (pred.test(e)) {
retList.add(e);
}
}
return retList;
}

这个方法可以这么用:

// 过滤90分以上的
students = filter(students, t -> t.getScore() > 90);

Function示例

列表处理的另一个常见需求是转换,比如,给定一个学生列表,需要返回名称列表,或者将名称转换为大写返回,可以借助Function写一个通用的方法,如下所示:

public static <T, R> List<R> map(List<T> list, Function<T, R> mapper) {
List<R> retList = new ArrayList<>(list.size());
for (T e : list) {
retList.add(mapper.apply(e));
}
return retList;
}

根据学生列表返回名称列表的代码可以为:

List<String> names = map(students, t -> t.getName());

将学生名称转换为大写的代码可以为:

students = map(students, t -> new Student(t.getName().toUpperCase(), t.getScore()));

Consumer示例

在上面转换学生名称为大写的例子中,我们为每个学生创建了一个新的对象,另一种常见的情况是直接修改原对象,具体怎么修改通过代码传递,这时,可以用Consumer写一个通用的方法,比如:

public static <E> void foreach(List<E> list, Consumer<E> consumer) {
for (E e : list) {
consumer.accept(e);
}
}

上面转换为大写的例子可以改为:

foreach(students, t -> t.setName(t.getName().toUpperCase()));

以上这些示例主要用于演示函数式接口的基本概念,实际中应该使用下节介绍的流API。

方法引用

基本用法
Lambda表达式经常就是调用对象的某个方法,比如:

List<String> names = map(students, t -> t.getName());

这时,它可以进一步简化,如下所示:

List<String> names = map(students, Student::getName);

Student::getName这种写法,是Java 8引入的一种新语法,称之为方法引用,它是Lambda表达式的一种简写方法,由::分隔为两部分,前面是类名或变量名,后面是方法名。方法可以是实例方法,也可以是静态方法,但含义不同。

我们看一些例子,还是以Student为例,先增加一个静态方法:

public static String getCollegeName(){
return "Laoma School";
}

静态方法

对于静态方法,如下语句:

Supplier<String> s = Student::getCollegeName;

等价于:

Supplier<String> s = () -> Student.getCollegeName();

它们的参数都是空,返回类型为String。

实例方法

而对于实例方法,它第一个参数就是该类型的实例,比如,如下语句:

Function<Student, String> f = Student::getName;

等价于:

Function<Student, String> f = (Student t) -> t.getName();

对于Student::setName,它是一个BiConsumer,即:

BiConsumer<Student, String> c = Student::setName;

等价于:

BiConsumer<Student, String> c = (t, name) -> t.setName(name);

通过变量引用方法

如果方法引用的第一部分是变量名,则相当于调用那个对象的方法,比如:

Student t = new Student("张三", 89d);
Supplier<String> s = t::getName;

等价于:

Supplier<String> s = () -> t.getName(); 

而:

Consumer<String> consumer = t::setName;

等价于:

Consumer<String> consumer = (name) -> t.setName(name);

构造方法

对于构造方法,方法引用的语法是<类名>::new,如Student::new,如下语句:

BiFunction<String, Double, Student> s = (name, score) -> new Student(name, score);

等价于:

BiFunction<String, Double, Student> s = Student::new;

函数的复合

在前面的例子中,函数式接口都用作方法的参数,其他部分通过Lambda表达式传递具体代码给它,函数式接口和Lambda表达式还可用作方法的返回值,传递代码回调用者,将这两种用法结合起来,可以构造复合的函数,使程序简洁易读。

下面我们会看一些例子,在介绍例子之前,我们先需要介绍Java 8对接口的增强。

接口的静态方法和默认方法

在Java 8之前,接口中的方法都是抽象方法,都没有实现体,Java 8允许在接口中定义两类新方法:静态方法和默认方法,它们有实现体,比如:

public interface IDemo {
void hello(); public static void test() {
System.out.println("hello");
} default void hi() {
System.out.println("hi");
}
}

test()就是一个静态方法,可以通过IDemo.test()调用。在接口不能定义静态方法之前,相关的静态方法往往定义在单独的类中,比如,Collection接口有一个对应的单独的类Collections,在Java 8中,就可以直接写在接口中了,比如Comparator接口就定义了多个静态方法。

hi()是一个默认方法,由关键字default标识,默认方法与抽象方法都是接口的方法,不同在于,它有默认的实现,实现类可以改变它的实现,也可以不改变。引入默认方法主要是函数式数据处理的需求,是为了便于给接口增加功能。

在没有默认方法之前,Java是很难给接口增加功能的,比如List接口,因为有太多非Java JDK控制的代码实现了该接口,如果给接口增加一个方法,则那些接口的实现就无法在新版Java 上运行,必须改写代码,实现新的方法,这显然是无法接受的。函数式数据处理需要给一些接口增加一些新的方法,所以就有了默认方法的概念,接口增加了新方法,而接口现有的实现类也不需要必须实现它。

看一些例子,List接口增加了sort方法,其定义为:

default void sort(Comparator<? super E> c) {
Object[] a = this.toArray();
Arrays.sort(a, (Comparator) c);
ListIterator<E> i = this.listIterator();
for (Object e : a) {
i.next();
i.set((E) e);
}
}

Collection接口增加了stream方法,其定义为:

default Stream<E> stream() {
return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
}

需要说明的是,即使能定义方法体了,接口与抽象类还是不一样的,接口中不能定义实例变量,而抽象类可以。

了解了静态方法和默认方法,我们看一些利用它们实现复合函数的例子。

Comparator中的复合方法

Comparator接口定义了如下静态方法:

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));
}

这个方法是什么意思呢?它用于构建一个Comparator,比如,在前面的例子中,对文件按照文件名排序的代码为:

Arrays.sort(files, (f1, f2) -> f1.getName().compareTo(f2.getName()));

使用comparing方法,代码可以简化为:

Arrays.sort(files, Comparator.comparing(File::getName));

这样,代码的可读性是不是大大增强了?comparing方法为什么能达到这个效果呢?它构建并返回了一个符合Comparator接口的Lambda表达式,这个Comparator接受的参数类型是File,它使用了传递过来的函数代码keyExtractor将File转换为String进行比较。像comparing这样使用复合方式构建并传递代码并不容易阅读和理解,但调用者很方便,也很容易理解。

Comparator还有很多默认方法,我们看两个:

default Comparator<T> reversed() {
return Collections.reverseOrder(this);
} default Comparator<T> thenComparing(Comparator<? super T> other) {
Objects.requireNonNull(other);
return (Comparator<T> & Serializable) (c1, c2) -> {
int res = compare(c1, c2);
return (res != 0) ? res : other.compare(c1, c2);
};
}

reversed返回一个新的Comparator,按原排序逆序排。thenComparing也是一个返回一个新的Comparator,在原排序认为两个元素排序相同的时候,使用提供的other Comparator进行比较。

看一个使用的例子,将学生列表按照分数倒序排(高分在前),分数一样的,按照名字进行排序,代码如下所示:

students.sort(Comparator.comparing(Student::getScore)
.reversed()
.thenComparing(Student::getName));

这样,代码是不是很容易读?

java.util.function中的复合方法

在java.util.function包中的很多函数式接口里,都定义了一些复合方法,我们看一些例子。

Function接口有如下定义:

default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
Objects.requireNonNull(after);
return (T t) -> after.apply(apply(t));
}

先将T类型的参数转化为类型R,再调用after将R转换为V,最后返回类型V。

还有如下定义:

default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) {
Objects.requireNonNull(before);
return (V v) -> apply(before.apply(v));
}

对V类型的参数,先调用before将V转换为T类型,再调用当前的apply方法转换为R类型返回。

Consumer, Predicate等都有一些复合方法,它们大量被用于下节介绍的函数式数据处理API中,具体我们就不探讨了。

小结

本节介绍了Java 8中的一些新概念,包括Lambda表达式、函数式接口、方法引用、接口的静态方法和默认方法等。

最重要的变化是,传递代码变的简单了,函数变为了代码世界的一等公民,可以方便的被作为参数传递,被作为返回值,被复合利用以构建新的函数,看上去,这些只是语法上的一些小变化,但利用这些小变化,却能使得代码更为通用、更为灵活、更为简洁易读,这,大概就是函数式编程的奇妙之处吧。

下一节,我们来探讨Java 8引入的函数式数据处理API,它们大大简化了常见的集合数据操作。

(与其他章节一样,本节所有代码位于 https://github.com/swiftma/program-logic,位于包shuo.laoma.java8.c91下)

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