Java8的函数式编程简介

文章目录

环境
背景
方法
- 方法1：Java 7（传统方法）
- 方法2：Java 7 （策略模式）
- 方法3：Java 8的Lambda表达式
- 方法4：Java 8内建的函数式接口Predicate
- 方法5：Java 8的方法引用
- 方法6：Java 8的Stream
- - 流的例子
总结
参考

注：本文主要参考了《Java 8实战》这本书。

在这里插入图片描述

环境

Ubuntu 22.04
jdk-17.0.3.1 （兼容Java 8）

背景

已知苹果类定义如下（每个苹果有颜色、重量等属性）：

class Apple {
    private String color;
    private double weight;

    public String getColor() {
        return color;
    }

    public void setColor(String color) {
        this.color = color;
    }

    public double getWeight() {
        return weight;
    }

    public void setWeight(double weight) {
        this.weight = weight;
    }

    public Apple() {
    }

    public Apple(String color, double weight) {
        this.color = color;
        this.weight = weight;
    }

现在有一堆苹果：

public class Test0913 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Apple> list0 = new ArrayList<>();

        list0.add(new Apple("Red", 200));
        list0.add(new Apple("Green", 300));
        list0.add(new Apple("Red", 220));
        list0.add(new Apple("Red", 280));
        list0.add(new Apple("Green", 220));
        ......
    }
}

要求查找满足一定条件的苹果，比如说颜色是红色的苹果。

方法

方法1：Java 7（传统方法）

在Java 8之前，我们可能会这么写：

    public static List<Apple> getRedApples(List<Apple> list) {
        List<Apple> result = new ArrayList<>();
        for (Apple e: list) {
            if ("Red".equals(e.getColor())) {
                result.add(e);
            }
        }
        return result;
    }

注：这里使用了 static 关键字，仅仅是为了方便，可直接使用 Test0913.getRedApples() 来调用该方法，而无需创建对象实例。后续代码中的 static 也同理。

调用该方法来查找红苹果：

        List<Apple> list1 = Test0913.getRedApples(list0);

方法2：Java 7 （策略模式）

方法1的缺点是，如果要查找重量超过250的苹果，则需要添加一个与 getRedApples() 类似的方法，如下：

    public static List<Apple> getHeavyApples(List<Apple> list) {
        List<Apple> result = new ArrayList<>();
        for (Apple e: list) {
            if (e.getWeight() > 250) {
                result.add(e);
            }
        }
        return result;
    }

显然，二者的重复代码非常多。

为了减少重复，可以采取设计模式中的“策略模式”，把公共部分提取出来。

定义一个接口 AppleStrategy ，它只有一个 test() 方法，传入一个苹果实例，返回true/false，代表了对“苹果是否满足要求”的抽象：

interface AppleStrategy {
    boolean test (Apple apple);
}

接口的实现类，该类实现了对“红苹果”的测试：

class AppleStrategy_Red implements AppleStrategy {

    @Override
    public boolean test(Apple apple) {
        return "Red".equals(apple.getColor());
    }
}

接口的实现类，该类实现了对“重苹果”的测试：

class AppleStrategy_Heavy implements AppleStrategy {

    @Override
    public boolean test(Apple apple) {
        return apple.getWeight() > 250;
    }
}

策略之外的不变部分，可抽象为如下方法：

    public static List<Apple> filterApples(List<Apple> list, AppleStrategy strategy) {
        List<Apple> result = new ArrayList<>();
        for (Apple e: list) {
            if (strategy.test(e)) {
                result.add(e);
            }
        }
        return result;
    }

调用该方法来查找红苹果：

        List<Apple> list2 = Test0913.filterApples(list0, new AppleStrategy_Red());

注：如果不想显式定义 AppleStrategy_Red / AppleStrategy_Heavy 等接口的实现类，也可以在需要时直接使用匿名类，如下：

        List<Apple> list2 = Test0913.filterApples(list0, new AppleStrategy() {
            @Override
            public boolean test(Apple apple) {
                return "Red".equals(apple.getColor());
            }
        });

方法3：Java 8的Lambda表达式

方法2比方法1要灵活很多，但是方法2需要定义接口、实现类（或匿名类），创建对象实例，等等，代码较为复杂。

如何才能兼顾灵活和简单呢？显然，方法2的精华部分在于“策略”。定义的接口和实现类，就是为了实现不同的策略。要想精简代码，Java 8 提供了一种方法，可以直接把策略以代码的方式（而非对象）传递给调用者：

        List<Apple> list3 = Test0913.filterApples(list0, e -> "Red".equals(e.getColor()));

仔细对比一下方法3和方法2的 filterApples() 方法，重点比较一下第二个参数（其类型是 AppleStrategy ），如下：

方法2：

        new AppleStrategy() {
            @Override
            public boolean test(Apple apple) {
                return "Red".equals(apple.getColor());
            }
        }

方法3：

        e -> "Red".equals(e.getColor())

这就是Java 8的Lambda表达式，它是一个匿名方法，它由三部分组成：

参数列表：即 e ，完整形式是 (Apple e)
箭头符号：即 -> ，分隔参数和代码
代码：即 "Red".equals(e.getColor()) ，完整形式是 {return "Red".equals(e.getColor());} （注意花括号和分号），可以有多条语句

简而言之，使用Lambda表达式，就可以通过“直接传代码”来简化复杂度，达到和匿名类同样的效果。

本例中， e -> "Red".equals(e.getColor()) 就代表了一个实现了 AppleStrategy 接口的匿名类的实例。

所以，方法3也可以写成：

        AppleStrategy strategy = (Apple e) -> "Red".equals(e.getColor());
        List<Apple> list3 = Test0913.filterApples(list0, strategy);

在 filterApples() 方法里调用 AppleStrategy 的 test() 方法时，运行的就是Lambda的代码。

那么问题来了，由于 AppleStrategy 接口只有一个 test() 方法，显然Lambda代表的就是这个方法。但是假如接口有多个方法，如果使用Lambda，只传一堆代码的话，怎么能知道是哪个方法？那不是乱套了吗？

确实如此，所以Lambda的使用也是有限制的，它只适用于“函数式接口”。

所谓函数式接口，就是只有一个抽象方法的接口。接口可以定义0个或多个默认方法，只要只定义了一个抽象接口，那就仍然是函数式接口。

函数式接口可以通过 @FunctionalInterface 注解来修饰。如果对接口加上该注解，而实际不是函数式接口，则编译会报错。虽然该注解不是强制的，不过最好还是加上。（ @Override 注解也一样）

在本例中， AppleStrategy 就是一个函数式接口（不过没加 @FunctionalInterface 注解）。

总结：Lambda表达式所代表的是对函数式接口的匿名实现，具体来说就是代表接口唯一的那个抽象方法。

方法4：Java 8内建的函数式接口Predicate

说到 AppleStrategy 接口，在方法3中使用了Lambda表达式，节省了 AppleStrategy 接口的实现类，但还是要定义 AppleStrategy 接口，能把这个接口的定义也省掉吗？

实际上Java 8已经内建了很多很实用的接口，需要的时候直接用就行了。本例中的 AppleStrategy 接口，在Java 8中已经有类似的存在了，它的名字叫做 Predicate （谓词），定义在 java.util.function.Predicate 里：

package java.util.function;

import java.util.Objects;

@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
    boolean test(T t);
    
    // 下面还有一些默认方法
    ......
}

所以，可以删掉 AppleStrategy 接口（及其实现类），并改写 filterApples() 方法如下：

    public static List<Apple> filterApples(List<Apple> list, Predicate<Apple> p) {
        List<Apple> result = new ArrayList<>();
        for (Apple e: list) {
            if (p.test(e)) {
                result.add(e);
            }
        }
        return result;
    }

注：跑个题：如果保留之前的 filterApples() 方法，然后新添加如上 filterApples() 方法，那么这两个方法虽然同名，但第二个参数不同，这是OK的。但是，在调用时，如果第二个参数使用Lambda表达式，则会编译报错，这是因为编译器在处理Lambda的时候，会去查找对应的函数式接口，而这两个方法的第二个参数都能匹配上，编译器无法做出选择。

调用 filterApples() 方法的代码不变：

        List<Apple> list4 = Test0913.filterApples(list0, e -> "Red".equals(e.getColor()));

注意，第二个参数所代表的函数式接口已经发生了变化：

方法3：代表的是 AppleStrategy 接口（自定义）
方法4：代表的是 Predicate 接口（Java 8内建，推荐）

与方法3同理，方法4也可以写成：

        Predicate<Apple> p = (Apple e) -> "Red".equals(e.getColor());
        List<Apple> list4 = Test0913.filterApples(list0, p);

注：Java 8内建了很多函数式接口，常见的比如：

Predicate
Consumer
Function
Supplier
UnaryOperator
BinaryOperator
…

方法5：Java 8的方法引用

如果Lambda表达式的代码在原本的代码里已经有实现了：

    public static boolean isRedApple(Apple apple) {
        return "Red".equals(apple.getColor());
    }

    public static boolean isHeavyApple(Apple apple) {
        return apple.getWeight() > 250;
    }

那么只需要把该方法作为Lambda传入即可：

        List<Apple> list5 = Test0913.filterApples(list0, e -> Test0913.isRedApple(e));

这和方法4并没有什么区别。非要找区别的话，方法5的Lambda表达式是一个方法调用。

对于像这样只包含一个方法调用的Lambda，Java 8提供了另外一种被称为“方法引用”的简单写法：

        List<Apple> list5 = Test0913.filterApples(list0, Test0913::isRedApple);

Lambda被称为匿名方法，而方法引用显然是命名方法，其实它本质还是Lambda，只不过是在特定条件下的快捷写法，更方便我们理解代码。

方法引用的格式如下：

左边部分：即 Test0913 ，是类或者对象
双冒号：即 :: ，分隔类/对象和方法
方法：即 isRedApple ，注意不要加括号

当Lambda的内容很长，或者需要复用时，显然封装是一个比较好的做法。这时就可以给它起一个有意义的方法名，然后通过方法引用来调用它。

总结：方法引用是Lambda的快捷简写，可以简化代码，方便理解。

方法6：Java 8的Stream

在前面介绍的方法中，都在 filterApples() 方法里，对list0进行了遍历，这种遍历是显式的，被称为“外部迭代”。Java 8引入了Stream，可以实现“内部迭代”，也就是无需显式遍历集合，以便更加集中关注在业务领域。这有点类似于SQL语句：你只需告诉数据库你想要什么数据，而不用关心数据是怎么得来的。

现在，我们来使用Stream简化代码，这次连 filterApples() 方法也不需要了：

        List<Apple> list6 = list0.stream().filter(Test0913::isRedApple).toList();

只需要一行代码就搞定了。

注： toList() 不是Java 8提供的方法，是Java 16才有的，如果是使用Java 8，需要稍微麻烦一点，写成：

        List<Apple> list6 = list0.stream()
                .filter(Test0913::isRedApple)
                .collect(Collectors.toList());

Stream除了能够精简代码，还有运行性能的提升。比如需要红色的重苹果：

        List<Apple> list6 = list0.stream()
                .filter(Test0913::isRedApple)
                .filter(Test0913::isHeavyApple)
                .toList();

像 filter() 方法，返回的类型仍然是流，因此可以复合运算。Java会对流的复合运算做优化。比如：

        list0.stream()
                .map(e -> {System.out.println(e); return e;})
                .limit(3)
                .toList();

运行结果里，只会打印前三个苹果的信息，这是因为Java对复合流做了优化。本例中， limit(3) 影响到了前面的 map() 操作。

如果苹果的数量非常多，还可以充分利用多核CPU并行（注意不是并发）运行，只需要把流（ stream() ）变成并行流（ parallelStream() ）：

        List<Apple> list6 = list0.parallelStream()
                .filter(Test0913::isRedApple)
                .filter(Test0913::isHeavyApple)
                .toList();

不需要编写任何与多线程有关的代码，都隐藏在并行流里了。

流的例子

流的功能非常强大，内容非常多。本文只是简介，不多做解释，直接看例子。

注：下面的例子使用的是 stream() ，也可以使用 parallelStream() 。

不是红颜色的苹果：

        List<Apple> list8 = list0.stream()
                .filter(Predicate.not(Test0913::isRedApple))
                .toList();

把红苹果按重量从大到小排序：

        List<Apple> list7 = list0.stream()
                .filter(Test0913::isRedApple)
                .sorted(Comparator.comparingDouble(Apple::getWeight).reversed())
                .toList();

绿苹果的个数：

        long count = list0.stream()
                .filter(e -> "Green".equals(e.getColor()))
                .count();

打印每个苹果的重量：

        list0.stream()
                .mapToDouble(e -> e.getWeight())
                .forEach(System.out::println);

是否所有苹果的重量都大于200：

        boolean b = list0.stream()
                .allMatch(e -> e.getWeight() > 200);

是否有重量大于300的红苹果：

        boolean b = list0.stream()
                .filter(Test0913::isRedApple)
                .anyMatch(e -> e.getWeight() > 300);

查找第一个（或者任何一个）重量大于200的苹果：

        Optional<Apple> apple = list0.stream()
                .filter(e -> e.getWeight() > 200)
//                .findFirst();
                .findAny();

注意： findFirst() 和 findAny() 的区别在于并行。在并行流条件下， findAny() 效率更高（找到一个就行，不用关心顺序）。

注意：也许有符合条件的苹果，也许没有，所以返回的是 Optional<Apple> 而非 Apple 。

所有苹果重量的总和、最大值、最小值、平均值等统计信息：

        DoubleSummaryStatistics summary = list0.stream()
                .mapToDouble(Apple::getWeight)
                .summaryStatistics();

结果如下：

DoubleSummaryStatistics{count=5, sum=1220.000000, min=200.000000, average=244.000000, max=300.000000}

把苹果按颜色分类：

        Map<String, List<Apple>> map1 = list0.stream()
                .collect(Collectors.groupingBy(Apple::getColor));

把苹果按颜色分类，并求每种苹果的平均重量：

        Map<String, Double> map2 = list0.stream()
                .collect(Collectors.groupingBy(Apple::getColor,
                        Collectors.averagingDouble(Apple::getWeight)));