java8中的函数式编程

作者: agile4j | 来源:发表于2018-07-06 18:19 被阅读107次

作者：刘仁鹏
参考资料：

使用 Java8 Optional 的正确姿势
《Java8函数式编程》Richard Warburton 著王群峰译

1.Lambda表达式与函数式接口

1.Lambda表达式简介

Lambda表达式的作用：使得Java可以把函数像对象一样作为语言的 一等公民 来对待。从而：
1. 能够编写出 可读性更强、更加紧凑、抽象级别更高的代码
2. 易于编写出可在多核CPU上高效运行、线程安全 的代码
3. 在编写 回调函数 和事件处理程序时，可以摆脱匿名内部类的冗繁
4. ...
Java8的lambda表达式其实是 匿名类 的 语法糖 ，本质上仍然是对象。
函数成为 一等公民 的含义：可以将函数赋值给变量，可以在参数中传递函数，可以让一个方法的 返回值 是函数...
即，凡是对象可以出现的地方，函数都可以出现。

2.Lambda表达式的用法

一个lambda表达式可由 用逗号分隔的参数列表 、 ->符号 、 函数体三部分组成，例如：

Arrays.asList("a", "b", "c").forEach((String item) -> System.out.println(item));

因为参数 item的类型可由编译器推测出来，因此也可简写成：

Arrays.asList("a", "b", "c").forEach(item -> System.out.println(item));

上面的两种写法，等价于在Java8之前的版本中，使用 匿名类 的实现：

Arrays.asList("a", "b", "c").forEach(
        new Consumer<String>() {
            @Override
            public void accept(String s) {
                System.out.println(s);
            }
        }
);

如果lambda的函数体 非单一语句 ，需要把函数体放在 一对花括号 中：

Arrays.asList("a", "b", "c").forEach((String item) -> {
    System.out.println(item);
    System.out.println(item);
});

lambda可以使用外部作用域的常量（如果是变量而非常量，会 隐式地 转为常量，建议显式地声明为常量）：

public class Test {

    private int num = 1;

    public static void main(String[] args) {
        String separator = ",";
        Test test = new Test();
        Arrays.asList("a", "b", "c").forEach(
                item -> System.out.println(item + separator + test.num));
        //separator = ";"; 
        //编译期错误 Variable used in lambda expression should be final or effectively final
        //test = new Test(); 
        //编译期错误 Variable used in lambda expression should be final or effectively final
    }

}

lambda有可能会返回一个值。返回值 的类型也可由编译器推断出来。如果lambda的 函数体只有一行 的话，可以不显式使用 return语句，下面两个代码是等价的：

Arrays.asList("a", "b", "c").sort((s1, s2) -> s1.compareTo(s2));

Arrays.asList("a", "b", "c").sort((s1, s2) -> {
    return s1.compareTo(s2);
});

3.函数式接口简介

所有的lambda表达式都可以替换成匿名类的实现方式，但并非所有的匿名类都能用lambda来表示。那么什么样的匿名类一定能用lambda来表示呢？那就是 实现于只有一个abstract方法的接口的匿名类 (不算Object中的方法，以及static方法和default方法)。而这种特殊的接口，在Java8中称为 函数式接口 ，用注解 @FunctionalInterface 表示：

@FunctionalInterface
public interface TestFunctional{
    void method();
}

但为什么只有这样的接口，才能和lambda配合使用呢？其实不难理解。因为lambda本质是 没有显式重写方法、省略了重写方法名 的匿名类，而一个lambda只能对一个方法进行重写。
Java中所有 lambda表达式 的类型都是某个具体的函数式接口。
一个 函数式接口 即使不加 @FunctionalInterface 注解，也可以与lambda配合使用，但这样的函数式接口是 容易出错 的：如有某个人在接口定义中增加了另一个方法，这时，这个接口就不再是函数式的了，并且编译过程也会失败。为了克服函数式接口的这种 脆弱性 并且能够 明确声明 接口作为函数式接口的意图，建议显式使用该注解 。

4.默认方法与静态方法

Java 8用 默认方法 与 静态方法 这两个新概念来扩展接口的声明。
默认方法 使用 default 关键字定义，默认方法与抽象方法不同，不需要被实现类来具体实现，但是可以被实现类继承或重写。默认方法的出现使Java可以 在扩展接口功能的同时保证向后兼容 （只要是Java1到Java7写出的代码，在Java8中依然可以编译通过）。例如Collection中的stream方法，如果Java8没有对默认方法的支持，那么所有的子类都需要对stream方法提供实现，显然无法保证向后兼容。
静态方法 使用 static 关键字定义，与一般java类中的静态方法一样。静态方法的出现是为了 让工具方法和相关的类或接口放在一起，而不是放到另一个工具类中。例如下面的代码，如果Java8没有对静态方法的支持，那么ofAll方法必须放到另外的工具类Rulers中，显然不如直接放到Ruler中友好。
示例：

@FunctionalInterface
public interface Ruler<T> {

    /**
     * 校验T
     */
    void check(T checkTarget);

    /**
     * 或操作
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    default Ruler<T> or(Ruler<T>... rulers) {
        return checkTarget -> {
            try {
                check(checkTarget);
            } catch (CheckException e) {
                ofAll(rulers).check(checkTarget);
            }
        };
    }

    /**
     * Ruler整合
     */
    @SafeVarargs
    static <T> Ruler<T> ofAll(Ruler<T>... rulers) {
        return (checkTarget -> Arrays.stream(rulers).forEach(ruler -> ruler.check(checkTarget)));
    }

}

5.四大常用的函数式接口

消费型接口 Consumer<T>

/**
 * @name 消费型接口
 * @use Consumer<T>
 * @param T 传入参数
 * @fun 接受一个参数 无返回值
 * */
Consumer<String> con = (str) -> System.out.println(str);
con.accept("我是消费型接口!");
//输出：我是消费型接口!

供给型接口 Supplier<R>

/**
 * @name 供给型接口
 * @use Supplier<R>
 * @param R 返回值类型
 * @fun 无参数 有返回值
 * */
Supplier<Date> supp = () -> new Date();
Date date = supp.get();
System.out.println("当前时间:" + date);
//输出：当前时间:Wed Jul 04 08:05:10 CST 2018

函数型接口 Function<T,R>

/**
 * @name 函数型接口
 * @use Function<T,R>
 * @param T 传入参数
 * @return R 返回值类型
 * @fun 接受一个参数 有返回值
 * */
Function<String, String> fun = (str) -> "hello," + str;
String str = fun.apply("tom");
System.out.println(str);
//输出：hello,tom

断定型接口 Predicate<T>

/**
 * @name 断定型接口
 * @use Predicate<T>
 * @param T 传入参数
 * @return Boolean 返回一个Boolean型值
 * @fun 接受一个参数 返回Boolean型值
 * */
Predicate<Integer> pre = (num) -> num > 0;
Boolean flag = pre.test(10);
System.out.println(flag);
//输出：true

还有更多功能丰富的函数式接口，可自行了解。

2.方法引用

在Java8中，我们可以直接通过 方法引用 来 简写lambda表达式 ，使语言的构造更紧凑简洁，减少冗余代码。但注意，方法引用与lambda表达式 并不完全等价 ，详见：java8中一个超易踩的坑：方法引用与lambda表达式的区别
方法引用 有如下四种用法：

类型	示例
构造器引用	Class::new
静态方法引用	Class::static_method
任意对象的方法引用	instance::method
特定对象的方法引用	Class::method

下面，我们以定义了4个方法的Car这个类为例子，区分Java8中支持的4种不同的方法引用。

public static class Car {
    public static Car create(final Supplier<Car> supplier) {
        return supplier.get();
    }

    public static void collide(final Car car) {
        System.out.println("Collided " + car.toString());
    }

    public void follow(final Car another) {
        System.out.println("Following the " + another.toString());
    }

    public void repair() {
        System.out.println("Repaired " + this.toString());
    } 
}

1.构造器引用

第一种方法引用是构造器引用，它的语法是Class::new，或者更一般的Class<T>::new。请注意构造器 没有参数。

final Car car1 = Car.create(() -> new Car()); //lambda表达式
final Car car2 = Car.create(Car::new); //方法引用

2.静态方法引用

第二种方法引用是静态方法引用，它的语法是Class::static_method。请注意这个方法 接受一个Car类型的参数。

final List<Car> cars = Arrays.asList(car1, car2);
cars.forEach((Car it) -> Car.collide(it)); //lambda表达式
cars.forEach(Car::collide); //方法引用

3.任意对象的方法引用

第三种方法引用是特定类的任意对象的方法引用，它的语法是Class::method。请注意，这个方法 没有参数。

cars.forEach((Car it) -> it.repair()); //lambda表达式
cars.forEach(Car::repair); //方法引用

4.特定对象的方法引用

第四种方法引用是特定对象的方法引用，它的语法是instance::method。请注意，这个方法 接受一个Car类型的参数。

final Car police = new Car();
cars.forEach((Car it) -> police.follow(it)); //lambda表达式
cars.forEach(police::follow); //方法引用

3.Optional

Java8引入 Optional 来通过一系列的 链式调用， 优雅地 解决 null安全问题。

1.Optional的三种构造方式

Optional.of(obj) ：它要求传入的obj不能是null值, 否则会抛出NPE。
Optional.empty() ：返回一个持有null的Optional实例。
Optional.ofNullable(obj) ：它以一种智能的，宽容的方式来构造一个Optional实例。传null进到就得到Optional.empty()，非null就调用Optional.of(obj)。

2.Optional的错误使用

使用 isPresent() 方法：
isPresent() 与 obj != null 没有任何分别，并不会使代码变得优雅
使用 get() 方法：
没有 isPresent() 作铺垫的 get() 调用在IDEA中会收到警告

Reports calls to java.util.Optional.get() without first checking with a isPresent() call if a value is available. If the Optional does not contain a value, get() will throw an exception
调用 Optional.get() 前不事先用 isPresent() 检查值是否可用. 假如 Optional 不包含一个值, get() 将会抛出一个异常
Optional 类型作为 类/实例属性 或 方法参数 时：
把 Optional 类型用作属性或是方法参数在 IntelliJ IDEA 中是强力不推荐的

Reports any uses of java.util.Optional<T>, java.util.OptionalDouble, java.util.OptionalInt, java.util.OptionalLong or com.google.common.base.Optional as the type for a field or a parameter. Optional was designed to provide a limited mechanism for library method return types where there needed to be a clear way to represent “no result”. Using a field with type java.util.Optional is also problematic if the class needs to be Serializable, which java.util.Optional is not.
使用任何像 Optional 的类型作为字段或方法参数都是不可取的. Optional 只设计为类库方法的, 可明确表示可能无值情况下的 返回类型 . Optional 类型不可被序列化, 用作字段类型会出问题的
错误示例：

//不要这么写：
Optional<User> userOpt = selectUserById(id);
if (userOpt.isPresent()) {
    return userOpt.get().getName();
} else {
    return "none";
}

//这其实与我们以前不使用Optional时的代码没有任何区别：
User user = getUserById(id);
if (user != null) {
    return user.getName();
} else {
    return "none";
}

//正确的写法：
return selectUserById(id).map(User::getName).orElse("none");

3.Optional的常见用法

存在即返回，无则提供默认值：
public T orElse(T other)

return opt.orElse(null);
//而不是 return opt.isPresent() ? opt.get() : null;

存在即返回, 无则由函数来产生：
public T orElseGet(Supplier<? extends T> other)

return user.orElseGet(() -> fetchAUserFromDatabase()); 
//而不要 return user.isPresent() ? user: fetchAUserFromDatabase();

存在才对它做点什么：
public void ifPresent(Consumer<? super T> consumer)

user.ifPresent(System.out::println);
 
//而不要
if (user.isPresent()) {
  System.out.println(user.get());
}

Optional最重要的用法：
public<U> Optional<U> map(Function<? super T, ? extends U> mapper)
map方法通常会搭配 orElse orElseGet orElseThrow 方法使用：

return selectUserById(id)
        .map(u -> u.getUsername())
        .map(name -> name.toUpperCase())
        .orElse(null);
           
//在java8之前的版本，等价的写法是这样的：
User user = getUserById(id);
if (user != null) {
    String name = user.getUsername();
    if (name != null) {
        return name.toUpperCase();
    } else {
        return null;
    }
} else {
    return null;
}

flatMap filter 方法的使用与map类似，这里就不展开了。

4.Stream

1.Stream简介

Stream是用函数式编程方式，在 集合类 上进行复杂操作的工具：

public static void main(String[] args) {
    long count1 = Stream.of(1, 2, 3)
            .filter(it -> it > 2)
            .count();

    long count2 = 0;
    List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3);
    for (Integer it : list) {
        if (it > 2) {
            count2++;
        }
    }


    System.out.println("count1:" + count1 + "---count2:" + count2);
    //输出：count1:1---count2:1
}

上述代码实现了一种“获取集合中值大于2的元素个数”的功能。整个过程被分解为两种更简单的操作：过滤和计数。看似进行了两次遍历操作，事实上，类库巧妙的设计使得只对集合进行了一次遍历：Stream方法的返回值并不是一个新集合，而是一个Stream对象，是用来创建新集合的配方（算法）。
像filter这样只描述 Stream，而不产生新集合的方法叫做 惰性求值方法；而像count这样用来从Stream中产生值的方法叫做 及早求值方法。
只有调用了 及早求值方法 ，Stream中之前注入的 惰性求值方法 才会被真正的运行，否则，惰性求值方法 只会像势能一样，悬而不发：

// 势能存储
Stream<Integer> potentialEnergy = Stream.of(1, 2, 3)
        .filter(it -> {
            System.out.println("hello");
            return it > 2;
        });
System.out.println("world");

// 势能释放
long count = potentialEnergy.count();
System.out.println("count:" + count);

// 尝试将势能再次释放（抛出异常）
long countAgain = potentialEnergy.count();
System.out.println("countAgain:" + countAgain);

//输出：
//world 
//hello
//hello
//hello
//count:1
//java.lang.IllegalStateException: stream has already been operated upon or closed

判断一个方法是 惰性求值 的还是 及早求值 的很简单：看它的 返回值。如果是 Stream 类型的就是惰性求值；否则就是及早求值。
对Stream的使用方式是：形成一个惰性求值的链，最后调用一个及早求值的方法返回想要的结果，或执行预期的操作。

为方便演示，这里定义了一个字段、两个实体类、一个main方法。下文的示例将放到main方法中，会用到这部分代码。

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        //示例代码
    }

    private static List<Business> businessList = Arrays.asList(
            new Business(1L, "家政", Arrays.asList(
                    new Category(11L, "保洁"),
                    new Category(12L, "保姆")
            )),
            new Business(2L, "速运", Arrays.asList(
                    new Category(21L, "搬家"),
                    new Category(22L, "货运")
            ))
    );

    @Data
    @AllArgsConstructor
    static class Business {
        private long id;
        private String name;
        private List<Category> categoryList;
    }

    @Data
    @AllArgsConstructor
    static class Category {
        private long id;
        private String name;
    }
}

2.常用惰性求值方法

map：一对一映射

businessList.stream()
        .map(Business::getName)
        .forEach(System.out::println);
//输出：
//家政
//速运

flatMap：一对多映射

businessList.stream()
        .flatMap(business -> business.getCategoryList().stream())
        .forEach(System.out::println);
//输出：
//Test.Category(id=11, name=保洁)
//Test.Category(id=12, name=保姆)
//Test.Category(id=21, name=搬家)
//Test.Category(id=22, name=货运)

filter：过滤

businessList.stream()
        .filter(business -> business.getId() > 1)
        .forEach(System.out::println);
//输出：
//Test.Business(id=2, name=速运, categoryList=[Test.Category(id=21, name=搬家), Test.Category(id=22, name=货运)])

3.常用及早求值方法

forEach：对每个元素执行指定操作(演示略)
reduce：归约

long sumOfCategoryId = businessList.stream()
        .flatMap(business -> business.getCategoryList().stream())
        .map(Category::getId)
        .reduce((x, y) -> x + y).orElse(0L);
System.out.println(sumOfCategoryId);
//输出：66

collect：收集

List categoryIdList = businessList.stream()
        .flatMap(business -> business.getCategoryList().stream())
        .map(Category::getId)
        .collect(Collectors.toList());
System.out.println(categoryIdList);
//输出：[11, 12, 21, 22]

5.Collector

Collector（收集器） 是一种通用的，从流生成复杂值的结构。
标准类库java.util.stream.Collectors，已经提供了一些常用的收集器
如果标准类库中的收集器无法满足需求，也可定制一个收集器。
接下来先对标准库中的收集器做简要介绍，然后再说明如何定制收集器。

1.转换成其他集合

toList(),toSet(),toCollection()

//当希望使用集合对象/实现来收集值时,可以使用toCollection
TreeSet rst = businessList.stream()
        .map(Business::getName)
        .collect(Collectors.toCollection(TreeSet::new));
System.out.println(rst);
//输出：[家政, 速运]

2.转换成值

按某种特定顺序生成一个值：maxBy(),minBy()

//获取id值最大的业务线
Optional<Business> rst = businessList.stream()
        .collect(Collectors.maxBy(Comparator.comparing(Business::getId)));
        //等价于 .max(Comparator.comparing(Business::getId));
System.out.println(rst.map(Business::getId).orElse(0L));
//输出：2

实现一些常用的数值计算：averagingXX(),summingXX()

//求所有业务线的id均值
Double rst = businessList.stream()
        .collect(Collectors.averagingDouble(Business::getId));
System.out.println(rst);
//输出：1.5

3.数据分块

将一个流根据指定的Predicate对象，分解成两个集合

图片.png-66.9kB

//根据业务线id是否大于1分块
Map<Boolean, List<Business>> rst = businessList.stream()
        .peek(business -> business.setCategoryList(null))
        .collect(Collectors.partitioningBy(business -> business.getId() > 1));
System.out.println(rst);
//输出：{false=[Test.Business(id=1, name=家政, categoryList=null)], true=[Test.Business(id=2, name=速运, categoryList=null)]}

4.数据分组

数据分开只能将数据分成两部分，而数据分组不受此限制，可以更自然地分割数据（类似与SQL中的 group by 操作）

图片.png-61.2kB

    @Data
    @AllArgsConstructor
    static class Custom {
        private long id;
        private String name;
        private String city;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        List<Custom> customList = Arrays.asList(
                new Custom(1L, "张三", "北京"),
                new Custom(2L, "李四", "北京"),
                new Custom(3L, "tom", "纽约"),
                new Custom(4L, "jerry", "纽约"),
                new Custom(5L, "thomas", "纽约")
        );

        //根据城市分组
        Map<String, List<Custom>> rst = customList.stream()
                .collect(Collectors.groupingBy(Custom::getCity));
        System.out.println(rst);
    }
//输出：{纽约=[Test.Custom(id=3, name=tom, city=纽约), Test.Custom(id=4, name=jerry, city=纽约), Test.Custom(id=5, name=thomas, city=纽约)], 北京=[Test.Custom(id=1, name=张三, city=北京), Test.Custom(id=2, name=李四, city=北京)]}

5.字符串

通过指定 分隔符、前缀、后缀 的方式生成一个格式化后的字符串：joining()

String rst = businessList.stream()
        .map(Business::getName)
        .collect(Collectors.joining(",", "[", "]"));
System.out.println(rst);
//输出：[家政,速运]

6.组合收集器

组合收集器分为 主收集器 和 下游收集器，主收集器会用到下游收集器，下游收集器是用来生成最终values的配方。

List<Custom> customList = Arrays.asList(
        new Custom(1L, "张三", "北京"),
        new Custom(2L, "李四", "北京"),
        new Custom(3L, "tom", "纽约"),
        new Custom(4L, "jerry", "纽约"),
        new Custom(5L, "thomas", "纽约")
);

Map<String, List<Long>> rst = customList.stream()
        .collect(Collectors.groupingBy
                (Custom::getCity,
                        Collectors.mapping(Custom::getId, Collectors.toList())));
System.out.println(rst);
//输出：{纽约=[3, 4, 5], 北京=[1, 2]}

7.定制收集器

收集器接口的方法介绍

supplier()：用来创建容器的工厂方法，和reduce操作的第一个参数类似，是后续操作的初值。
图片.png-38.2kB
accumulator()：该方法的作用和reduce操作的第二个参数一样，用来结合之前操作的结果和当前值，生成并返回新的值。
图片.png-40kB
combiner()：如果有多个容器，会通过该方法合并为一个容器。
图片.png-38.7kB
finisher()：对容器进行转换以得到预期的结果值。
finisher.png-35.2kB

定制一个字符串拼接收集器

    public static void main(String[] args) {
        List<Custom> customList = Arrays.asList(
                new Custom(1L, "张三", "北京"),
                new Custom(2L, "李四", "北京"),
                new Custom(3L, "tom", "纽约"),
                new Custom(4L, "jerry", "纽约"),
                new Custom(5L, "thomas", "纽约")
        );

        String rst = customList.parallelStream()
                .map(Custom::getName)
                .collect(new MyStrCollector());

        System.out.println(rst);
        //输出：[张三,李四,tom,jerry,thomas]
    }

    //泛型含义：<待收集元素的类型,累加器的类型,最终结果的类型>
    static class MyStrCollector implements Collector<String, StringBuilder, String> {

        private final String prefix = "[";
        private final String separator = ",";
        private final String suffix = "]";

        @Override
        public Supplier<StringBuilder> supplier() {
            return StringBuilder::new;
        }

        @Override
        public BiConsumer<StringBuilder, String> accumulator() {
            return (stringBuilder, item) -> {
                stringBuilder.append(separator).append(item);
            };
        }

        @Override
        public BinaryOperator<StringBuilder> combiner() {
            return StringBuilder::append;
        }

        @Override
        public Function<StringBuilder, String> finisher() {
            return (stringBuilder -> prefix + stringBuilder.toString().substring(1) + suffix);
        }

        @Override
        public Set<Characteristics> characteristics() {
            return Collections.emptySet();
        }
    }

end

java8中的函数式编程

1.Lambda表达式与函数式接口

1.Lambda表达式简介

2.Lambda表达式的用法

3.函数式接口简介

4.默认方法与静态方法

5.四大常用的函数式接口

2.方法引用

1.构造器引用

2.静态方法引用

3.任意对象的方法引用

4.特定对象的方法引用

3.Optional

1.Optional的三种构造方式

2.Optional的错误使用

3.Optional的常见用法

4.Stream

1.Stream简介

2.常用惰性求值方法

3.常用及早求值方法

5.Collector

1.转换成其他集合

2.转换成值

3.数据分块

4.数据分组

5.字符串

6.组合收集器

7.定制收集器

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