Java8 什么是λ表达式

無名 发表于: 2016-06-25   最后更新时间: 2016-09-02  
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1. 什么是λ表达式

λ表达式本质上是一个匿名方法。让我们来看下面这个例子:

public int add(int x, int y) {
    return x + y;
}

转成λ表达式后是这个样子:

(int x, int y) -> x + y;

参数类型也可以省略,Java编译器会根据上下文推断出来:

(x, y) -> x + y; //返回两数之和

或者

(x, y) -> { return x + y; } //显式指明返回值

可见λ表达式有三部分组成:参数列表,箭头(->),以及一个表达式或语句块。

下面这个例子里的λ表达式没有参数,也没有返回值(相当于一个方法接受0个参数,返回void,其实就是Runnable里run方法的一个实现):

() -> { System.out.println("Hello Lambda!"); }

如果只有一个参数且可以被Java推断出类型,那么参数列表的括号也可以省略:

c -> { return c.size(); }

2. λ表达式的类型(它是Object吗?)

λ表达式可以被当做是一个Object(注意措辞)。λ表达式的类型,叫做“目标类型(target type)”。λ表达式的目标类型是“函数接口(functional interface)”,这是Java8新引入的概念。它的定义是:一个接口,如果只有一个显式声明的抽象方法,那么它就是一个函数接口。一般用@FunctionalInterface标注出来(也可以不标)。举例如下:

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

public interface Callable<V> { V call() throws Exception; }

public interface ActionListener { void actionPerformed(ActionEvent e); }

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

注意最后这个Comparator接口。它里面声明了两个方法,貌似不符合函数接口的定义,但它的确是函数接口。这是因为equals方法是Object的,所有的接口都会声明Object的public方法——虽然大多是隐式的。所以,Comparator显式的声明了equals不影响它依然是个函数接口。

你可以用一个λ表达式为一个函数接口赋值:

Runnable r1 = () -> {System.out.println("Hello Lambda!");};

然后再赋值给一个Object:

Object obj = r1;

但却不能这样干:

Object obj = () -> {System.out.println("Hello Lambda!");}; // ERROR! Object is not a functional interface!

必须显式的转型成一个函数接口才可以:

Object o = (Runnable) () -> { System.out.println("hi"); }; // correct

一个λ表达式只有在转型成一个函数接口后才能被当做Object使用。所以下面这句也不能编译:

System.out.println( () -> {} ); //错误! 目标类型不明

必须先转型:

System.out.println( (Runnable)() -> {} ); // 正确

假设你自己写了一个函数接口,长的跟Runnable一模一样:

@FunctionalInterface
public interface MyRunnable {
    public void run();
}

那么

Runnable r1 =    () -> {System.out.println("Hello Lambda!");};
MyRunnable2 r2 = () -> {System.out.println("Hello Lambda!");};

都是正确的写法。这说明一个λ表达式可以有多个目标类型(函数接口),只要函数匹配成功即可。
但需注意一个λ表达式必须至少有一个目标类型。

JDK预定义了很多函数接口以避免用户重复定义。最典型的是Function:

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

这个接口代表一个函数,接受一个T类型的参数,并返回一个R类型的返回值。

另一个预定义函数接口叫做Consumer,跟Function的唯一不同是它没有返回值。

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

还有一个Predicate,用来判断某项条件是否满足。经常用来进行筛滤操作:

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

综上所述,一个λ表达式其实就是定义了一个匿名方法,只不过这个方法必须符合至少一个函数接口。

3. λ表达式的使用

3.1 λ表达式用在何处

λ表达式主要用于替换以前广泛使用的内部匿名类,各种回调,比如事件响应器、传入Thread类的Runnable等。看下面的例子:

Thread oldSchool = new Thread( new Runnable () {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("This is from an anonymous class.");
    }
} );

Thread gaoDuanDaQiShangDangCi = new Thread( () -> {
    System.out.println("This is from an anonymous method (lambda exp).");
} );

注意第二个线程里的λ表达式,你并不需要显式地把它转成一个Runnable,因为Java能根据上下文自动推断出来:一个Thread的构造函数接受一个Runnable参数,而传入的λ表达式正好符合其run()函数,所以Java编译器推断它为Runnable。

从形式上看,λ表达式只是为你节省了几行代码。但将λ表达式引入Java的动机并不仅仅为此。Java8有一个短期目标和一个长期目标。短期目标是:配合“集合类批处理操作”的内部迭代和并行处理(下面将要讲到);长期目标是将Java向函数式编程语言这个方向引导(并不是要完全变成一门函数式编程语言,只是让它有更多的函数式编程语言的特性),也正是由于这个原因,Oracle并没有简单地使用内部类去实现λ表达式,而是使用了一种更动态、更灵活、易于将来扩展和改变的策略(invokedynamic)。

3.2 λ表达式与集合类批处理操作(或者叫块操作)

上文提到了集合类的批处理操作。这是Java8的另一个重要特性,它与λ表达式的配合使用乃是Java8的最主要特性。集合类的批处理操作API的目的是实现集合类的“内部迭代”,并期望充分利用现代多核CPU进行并行计算。
Java8之前集合类的迭代(Iteration)都是外部的,即客户代码。而内部迭代意味着改由Java类库来进行迭代,而不是客户代码。例如:

for(Object o: list) { // 外部迭代
    System.out.println(o);
}

可以写成:

list.forEach(o -> {System.out.println(o);}); //forEach函数实现内部迭代

集合类(包括List)现在都有一个forEach方法,对元素进行迭代(遍历),所以我们不需要再写for循环了。forEach方法接受一个函数接口Consumer做参数,所以可以使用λ表达式。

这种内部迭代方法广泛存在于各种语言,如C++的STL算法库、Python、ruby、scala等。

Java8为集合类引入了另一个重要概念:流(stream)。一个流通常以一个集合类实例为其数据源,然后在其上定义各种操作。流的API设计使用了管道(pipelines)模式。对流的一次操作会返回另一个流。如同IO的API或者StringBuffer的append方法那样,从而多个不同的操作可以在一个语句里串起来。看下面的例子:

List<Shape> shapes = ...
shapes.stream()
  .filter(s -> s.getColor() == BLUE)
  .forEach(s -> s.setColor(RED));

首先调用stream方法,以集合类对象shapes里面的元素为数据源,生成一个流。然后在这个流上调用filter方法,挑出蓝色的,返回另一个流。最后调用forEach方法将这些蓝色的物体喷成红色。(forEach方法不再返回流,而是一个终端方法,类似于StringBuffer在调用若干append之后的那个toString)

filter方法的参数是Predicate类型,forEach方法的参数是Consumer类型,它们都是函数接口,所以可以使用λ表达式。

还有一个方法叫parallelStream(),顾名思义它和stream()一样,只不过指明要并行处理,以期充分利用现代CPU的多核特性。

shapes.parallelStream(); // 或shapes.stream().parallel()

来看更多的例子。下面是典型的大数据处理方法,Filter-Map-Reduce:

//给出一个String类型的数组,找出其中所有不重复的素数
public void distinctPrimary(String... numbers) {
    List<String> l = Arrays.asList(numbers);
    List<Integer> r = l.stream()
            .map(e -> new Integer(e))
            .filter(e -> Primes.isPrime(e))
            .distinct()
            .collect(Collectors.toList());
    System.out.println("distinctPrimary result is: " + r);
}

第一步:传入一系列String(假设都是合法的数字),转成一个List,然后调用stream()方法生成流。

第二步:调用流的map方法把每个元素由String转成Integer,得到一个新的流。map方法接受一个Function类型的参数,上面介绍了,Function是个函数接口,所以这里用λ表达式。

第三步:调用流的filter方法,过滤那些不是素数的数字,并得到一个新流。filter方法接受一个Predicate类型的参数,上面介绍了,Predicate是个函数接口,所以这里用λ表达式。

第四步:调用流的distinct方法,去掉重复,并得到一个新流。这本质上是另一个filter操作。

第五步:用collect方法将最终结果收集到一个List里面去。collect方法接受一个Collector类型的参数,这个参数指明如何收集最终结果。在这个例子中,结果简单地收集到一个List中。我们也可以用Collectors.toMap(e->e, e->e)把结果收集到一个Map中,它的意思是:把结果收到一个Map,用这些素数自身既作为键又作为值。toMap方法接受两个Function类型的参数,分别用以生成键和值,Function是个函数接口,所以这里都用λ表达式。

你可能会觉得在这个例子里,List l被迭代了好多次,map,filter,distinct都分别是一次循环,效率会不好。实际并非如此。这些返回另一个Stream的方法都是“懒(lazy)”的,而最后返回最终结果的collect方法则是“急(eager)”的。在遇到eager方法之前,lazy的方法不会执行。

当遇到eager方法时,前面的lazy方法才会被依次执行。而且是管道贯通式执行。这意味着每一个元素依次通过这些管道。例如有个元素“3”,首先它被map成整数型3;然后通过filter,发现是素数,被保留下来;又通过distinct,如果已经有一个3了,那么就直接丢弃,如果还没有则保留。这样,3个操作其实只经过了一次循环。

除collect外其它的eager操作还有forEach,toArray,reduce等。

下面来看一下也许是最常用的收集器方法,groupingBy:

//给出一个String类型的数组,找出其中各个素数,并统计其出现次数
public void primaryOccurrence(String... numbers) {
    List<String> l = Arrays.asList(numbers);
    Map<Integer, Integer> r = l.stream()
        .map(e -> new Integer(e))
        .filter(e -> Primes.isPrime(e))
        .collect( Collectors.groupingBy(p->p, Collectors.summingInt(p->1)) );
    System.out.println("primaryOccurrence result is: " + r);
}

注意这一行:

Collectors.groupingBy(p->p, Collectors.summingInt(p->1))

它的意思是:把结果收集到一个Map中,用统计到的各个素数自身作为键,其出现次数作为值。

下面是一个reduce的例子:

//给出一个String类型的数组,求其中所有不重复素数的和
public void distinctPrimarySum(String... numbers) {
    List<String> l = Arrays.asList(numbers);
    int sum = l.stream()
        .map(e -> new Integer(e))
        .filter(e -> Primes.isPrime(e))
        .distinct()
        .reduce(0, (x,y) -> x+y); // equivalent to .sum()
    System.out.println("distinctPrimarySum result is: " + sum);
}

reduce方法用来产生单一的一个最终结果。
流有很多预定义的reduce操作,如sum(),max(),min()等。

再举个现实世界里的例子比如:

// 统计年龄在25-35岁的男女人数、比例
public void boysAndGirls(List<Person> persons) {
    Map<Integer, Integer> result = persons.parallelStream().filter(p -> p.getAge()>=25 && p.getAge()<=35).
        collect(
            Collectors.groupingBy(p->p.getSex(), Collectors.summingInt(p->1))
    );
    System.out.print("boysAndGirls result is " + result);
    System.out.println(", ratio (male : female) is " + (float)result.get(Person.MALE)/result.get(Person.FEMALE));
}

3.3 λ表达式的更多用法

// 嵌套的λ表达式
Callable<Runnable> c1 = () -> () -> { System.out.println("Nested lambda"); };
c1.call().run();

// 用在条件表达式中
Callable<Integer> c2 = true ? (() -> 42) : (() -> 24);
System.out.println(c2.call());

// 定义一个递归函数,注意须用this限定
protected UnaryOperator<Integer> factorial = i -> i == 0 ? 1 : i * this.factorial.apply( i - 1 );
...
System.out.println(factorial.apply(3));

在Java中,随声明随调用的方式是不行的,比如下面这样,声明了一个λ表达式(x, y) -> x + y,同时企图通过传入实参(2, 3)来调用它:

int five = ( (x, y) -> x + y ) (2, 3); // ERROR! try to call a lambda in-place

这在C++中是可以的,但Java中不行。Java的λ表达式只能用作赋值、传参、返回值等。

4. 其它相关概念

4.1 捕获(Capture)

捕获的概念在于解决在λ表达式中我们可以使用哪些外部变量(即除了它自己的参数和内部定义的本地变量)的问题。

答案是:与内部类非常相似,但有不同点。不同点在于内部类总是持有一个其外部类对象的引用。而λ表达式呢,除非在它内部用到了其外部类(包围类)对象的方法或者成员,否则它就不持有这个对象的引用。

在Java8以前,如果要在内部类访问外部对象的一个本地变量,那么这个变量必须声明为final才行。在Java8中,这种限制被去掉了,代之以一个新的概念,“effectively final”。它的意思是你可以声明为final,也可以不声明final但是按照final来用,也就是一次赋值永不改变。换句话说,保证它加上final前缀后不会出编译错误。

在Java8中,内部类和λ表达式都可以访问effectively final的本地变量。λ表达式的例子如下:

...    
int tmp1 = 1; //包围类的成员变量
static int tmp2 = 2; //包围类的静态成员变量
public void testCapture() {
    int tmp3 = 3; //没有声明为final,但是effectively final的本地变量
    final int tmp4 = 4; //声明为final的本地变量
    int tmp5 = 5; //普通本地变量

    Function<Integer, Integer> f1 = i -> i + tmp1;
    Function<Integer, Integer> f2 = i -> i + tmp2;
    Function<Integer, Integer> f3 = i -> i + tmp3;
    Function<Integer, Integer> f4 = i -> i + tmp4;
    Function<Integer, Integer> f5 = i -> {
        tmp5  += i; // 编译错!对tmp5赋值导致它不是effectively final的
        return tmp5;
    };
    ...
    tmp5 = 9; // 编译错!对tmp5赋值导致它不是effectively final的
}
...

Java要求本地变量final或者effectively final的原因是多线程并发问题。内部类、λ表达式都有可能在不同的线程中执行,允许多个线程同时修改一个本地变量不符合Java的设计理念。

4.2 方法引用(Method reference)

任何一个λ表达式都可以代表某个函数接口的唯一方法的匿名描述符。我们也可以使用某个类的某个具体方法来代表这个描述符,叫做方法引用。例如:

Integer::parseInt //静态方法引用
System.out::print //实例方法引用
Person::new       //构造器引用

下面是一组例子,教你使用方法引用代替λ表达式:

//c1 与 c2 是一样的(静态方法引用)
Comparator<Integer> c2 = (x, y) -> Integer.compare(x, y);
Comparator<Integer> c1 = Integer::compare;

//下面两句是一样的(实例方法引用1)
persons.forEach(e -> System.out.println(e));
persons.forEach(System.out::println);

//下面两句是一样的(实例方法引用2)
persons.forEach(person -> person.eat());
persons.forEach(Person::eat);

//下面两句是一样的(构造器引用)
strList.stream().map(s -> new Integer(s));
strList.stream().map(Integer::new);

使用方法引用,你的程序会变得更短些。现在distinctPrimarySum方法可以改写如下:

public void distinctPrimarySum(String... numbers) {
    List<String> l = Arrays.asList(numbers);
    int sum = l.stream().map(Integer::new).filter(Primes::isPrime).distinct().sum();
    System.out.println("distinctPrimarySum result is: " + sum);
}

还有一些其它的方法引用:

super::toString //引用某个对象的父类方法
String[]::new //引用一个数组的构造器

4.3 默认方法(Default method)

Java8中,接口声明里可以有方法实现了,叫做默认方法。在此之前,接口里的方法全部是抽象方法。

public interface MyInterf {

    String m1();

    default String m2() {
        return "Hello default method!";
    }

}

这实际上混淆了接口和抽象类,但一个类仍然可以实现多个接口,而只能继承一个抽象类。

这么做的原因是:由于Collection库需要为批处理操作添加新的方法,如forEach(),stream()等,但是不能修改现有的Collection接口——如果那样做的话所有的实现类都要进行修改,包括很多客户自制的实现类。所以只好使用这种妥协的办法。

如此一来,我们就面临一种类似多继承的问题。如果类Sub继承了两个接口,Base1和Base2,而这两个接口恰好具有完全相同的两个默认方法,那么就会产生冲突。这时Sub类就必须通过重载来显式指明自己要使用哪一个接口的实现(或者提供自己的实现):

public class Sub implements Base1, Base2 {

    public void hello() {
        Base1.super.hello(); //使用Base1的实现
    }

}

除了默认方法,Java8的接口也可以有静态方法的实现:

public interface MyInterf {

    String m1();

    default String m2() {
        return "Hello default method!";
    }

    static String m3() {
        return "Hello static method in Interface!";
    }

}

4.4 生成器函数(Generator function)

有时候一个流的数据源不一定是一个已存在的集合对象,也可能是个“生成器函数”。一个生成器函数会产生一系列元素,供给一个流。Stream.generate(Supplier s)就是一个生成器函数。其中参数Supplier是一个函数接口,里面有唯一的抽象方法 get()。

下面这个例子生成并打印5个随机数:

Stream.generate(Math::random).limit(5).forEach(System.out::println);

注意这个limit(5),如果没有这个调用,那么这条语句会永远地执行下去。也就是说这个生成器是无穷的。这种调用叫做终结操作,或者短路(short-circuiting)操作。







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