Java8函数式编程

最近使用lambda表达式，感觉使用起来非常舒服，箭头函数极大增强了代码的表达能力。于是决心花点时间深入地去研究一下java8的函数式。

一、lambda表达式

先po一个最经典的例子——线程

public static void main(String[] args) {
  // Java7
  new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
      for (int i = 0; i < 100; i++) {
        System.out.println(i);
      }
    }
  }).start();

  // Java8
  new Thread(() -> {
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
      System.out.println(i);
    }
  }).start();
}
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第一次接触lambda表达式是在创建线程时，比较直观的感受就是lambda表达式相当于匿名类的语法糖，emm～，真甜。不过事实上，lambda表达式并不是匿名类的语法糖，而且经过一段时间的使用，感觉恰恰相反，在使用上匿名类更像是Java中lambda表达式的载体。

使用场景

下面的一些使用场景均为个人的一些体会，可能存在不当或遗漏之处。

1. 简化匿名类的编码

上面的创建线程就是一个很好简化编码的例子，此处就不再重复。

2. 减少不必要的方法创建

在Java中，我们经常会遇到这样一种场景，某个方法只会在某处使用且内部逻辑也很简单，在Java8之前我们通常都会创建一个方法，但是事实上我们经常会发现这样写着写着，一个类中的方法可能会变得非常庞杂，严重影响阅读体验，进而影响编码效率。但是如果使用lambda表达式，那么这个问题就可以很容易就解决掉了。

一个简单的例子，如果我们需要在一个函数中多次打印时间。(这个例子可能有些牵强，但是实际上还是挺常遇见的)

public class FunctionMain {
    
    public static void main(String[] args) {
        TimeDemo timeDemo = new TimeDemo();
        timeDemo.createTime = System.currentTimeMillis();
        timeDemo.updateTime = System.currentTimeMillis() + 10000;
        outputTimeDemo(timeDemo);
    }

    private static void outputTimeDemo(TimeDemo timeDemo) {
        Function timestampToDate = timestamp -> {
            DateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
            return df.format(new Date(timestamp));
        };

        System.out.println(timestampToDate.apply(timeDemo.createTime));
        System.out.println(timestampToDate.apply(timeDemo.updateTime));
    }


    interface Function {
        String apply(long timestamp);
    }
}

class TimeDemo {
    long createTime;
    long updateTime;
}
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在这段代码的outputTimeDemo中我们可以看到，对于时间戳转换的内容，我们并没有额外创建一个方法，而是类似于创建了一个变量来表达。不过，这个时候出现了另一个问题，虽然我们少创建了一个方法，但是我们却多创建了一个接口Function，总有种因小失大的感觉， 不过这个问题，我们在后面的部分可以找到答案。

3. 事件处理

一个比较常见的例子就是回调。

public static void main(String[] args) {
    execute("hello world", () -> System.out.println("callback"));
}

private static void execute(String s, Callback callback) {
    System.out.println(s);
    callback.callback();
}

@FunctionalInterface
interface Callback {
    void callback();
}
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在这里，可以发现一点小不同，就是Callback多了一个注解@FunctionalInterface，这个注解主要用于编译期检查，如果我们的接口不符合函数式接口的要求，那编译的时候就会报错。不加也是可以正常执行的。

4. stream中使用

这个在后面的中详解。

java.util.function包

在之前的例子中，我们发现使用lambda表达式的时候，经常需要定义一些接口用来辅助我们的编码，这样就会使得本应轻量级的lambda表达式又变得重量级。那是否存在解决方案呢？其实Java8本身已经为我们提供了一些常见的函数式接口，就在java.util.function包下面。

此处列出最基本的几个，其他的都是在这些的基础上做了一些简单的封装，例如IntFunction<R>就是对Function<T,R>的封装。上面的这些函数式接口已经可以帮助我们处理绝大多数场景了，如果有更复杂的情况，那就得我们自己定义接口了。不过遗憾的是在java.util.function下没找到无参数无返回结果的接口，目前我找到的方案就是自己定义一个接口或者直接使用Runnable接口。

使用示例

public static void main(String[] args) {
    Function<Integer, Integer> f = x -> x + 1;
    System.out.println(f.apply(1));

    BiFunction<Integer, Integer, Integer> g = (x, y) -> x + y;
    System.out.println(g.apply(1, 2));
}
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lambda表达式和匿名类的区别

lambda表达式虽然使用时和匿名类很相似，但是还是存在那么一些区别。

1. this指向不同

lambda表达式中使用this指向的是外部的类，而匿名类中使用this则指向的是匿名类本身。

public class FunctionMain {

    private String test = "test-main";

    public static void main(String[] args) {
        new FunctionMain().output();
    }

    private void output() {
        Function f = () -> {
            System.out.println("1:-----------------");
            System.out.println(this);
            System.out.println(this.test);
        };
        f.outputThis();

        new Function() {
            @Override
            public void outputThis() {
                System.out.println("2:-----------------");
                System.out.println(this);
                System.out.println(this.test);
            }
        }.outputThis();
    }

    interface Function {
        String test = "test-function";

        void outputThis();
    }
}
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如上面这段代码，输出结果如下

所以如果想使用lambda表达式的同时去访问原类中的变量、方法的是做不到的。

2. 底层实现不同

编译

从编译结果来看，两者的编译结果完全不同。

首先是匿名类的方式，代码如下：

import java.util.function.Function;

public class ClassMain {

    public static void main(String[] args) {
        Function<Integer, Integer> f = new Function<Integer, Integer>() {
            @Override
            public Integer apply(Integer integer) {
                return integer + 1;
            }
        };
        System.out.println(f.apply(1));
    }
}
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编译后的结果如下：

可以看到ClassMain在编译后生成了两个class，其中ClassMain$1.class就是匿名类生成的class。

那么接下来，我们再来编译一下lambda版本的。代码和编译结果如下：

import java.util.function.Function;

public class FunctionMain {

    public static void main(String[] args) {
        Function<Integer, Integer> f = x -> x + 1;
        System.out.println(f.apply(1));
    }
}
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在这里我们可以看到FunctionMain并没有生成第二个class文件。

字节码

更进一步，我们打开他们的字节码来寻找更多的细节。首先依然是匿名类的方式

在Code-0这一行，我们可以看到匿名类的方式是通过new一个类来实现的。

接下来是lambda表达式生成的字节码，

在lambda表达式的字节码中，我们可以看到我们的lambda表达式被编译成了一个叫做 lambda$main$0 的静态方法，接着通过invokedynamic的方式进行了调用。

3. lambda表达式只能替代部分匿名类

lambda表达式想要替代匿名类是有条件的，即这个匿名类实现的接口必须是函数式接口，即只能有一个抽象方法的接口。

性能

由于没有实际测试过lambda表达式的性能，且我使用lambda更多是基于编码简洁度的考虑，因此本文就不探讨性能相关问题。

关于lambda表达式和匿名类的性能对比可以参考官方ppt www.oracle.com/technetwork…

二、Stream API

Stream API是Java8对集合类的补充与增强。它主要用来对集合进行各种便利的聚合操作或者批量数据操作。

1. 创建流

在进行流操作的第一步是创建一个流，下面介绍几种常见的流的创建方式

从集合类创建流

如果已经我们已经有一个集合对象，那么我们可以直接通过调用其stream()方法得到对应的流。如下

List<String> list = Arrays.asList("hello", "world", "la");
list.stream();
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利用数组创建流

String[] strArray = new String[]{"hello", "world", "la"};
Stream.of(strArray);
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利用可变参数创建流

Stream.of("hello", "world", "la");
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根据范围创建数值流

IntStream.range(0, 100);         // 不包含最后一个数
IntStream.rangeClosed(0, 99);    // 包含最后一个数
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BufferReader.lines()

对于BufferReader而言，它的lines方法也同样可以创建一个流

File file = new File("/Users/cayun/.m2/settings.xml");
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(new FileInputStream(file)));
br.lines().forEach(System.out::println);
br.close();
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2. 流操作

在Stream API中，流的操作有两种：Intermediate和Terminal

Intermediate：一个流可以后面跟随零个或多个 intermediate 操作。其目的主要是打开流，做出某种程度的数据映射/过滤，然后返回一个新的流，交给下一个操作使用。这类操作都是惰性化的（lazy），就是说，仅仅调用到这类方法，并没有真正开始流的遍历。 Terminal ：一个流只能有一个 terminal 操作，当这个操作执行后，流就被使用“光”了，无法再被操作。所以这必定是流的最后一个操作。Terminal 操作的执行，才会真正开始流的遍历，并且会生成一个结果，或者一个 side effect。

除此以外，还有一种叫做short-circuiting的操作

对于一个 intermediate 操作，如果它接受的是一个无限大（infinite/unbounded）的 Stream，但返回一个有限的新 Stream。 对于一个 terminal 操作，如果它接受的是一个无限大的 Stream，但能在有限的时间计算出结果。

常见的流操作可以如下归类：

Intermediatemap (mapToInt, flatMap 等)、 filter、 distinct、 sorted、 peek、 limit、 skip、 parallel、 sequential、 unordered

TerminalforEach、 forEachOrdered、 toArray、 reduce、 collect、 min、 max、 count、 anyMatch、 allMatch、 noneMatch、 findFirst、 findAny、 iterator

Short-circuitinganyMatch、 allMatch、 noneMatch、 findFirst、 findAny、 limit

常见的流操作详解

1. forEach

forEach可以说是最常见的操作了，甚至对于List等实现了Collection接口的类可以不创建stream而直接使用forEach。简单地说，forEach就是遍历并执行某个操作。

Stream.of("hello", "world", "a", "b").forEach(System.out::println);
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2. map

map也同样是一个非常高频的流操作，用来将一个集合映射为另一个集合。下面代码展示了将[1,2,3,4]映射为[1,4,9,16]

IntStream.rangeClosed(1, 4).map(x -> x * x).forEach(System.out::println);
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除此之外，还有一个叫做flatMap的操作，这个操作在映射的基础上又做了一层扁平化处理。这个概念可能比较难理解，那举个例子，我们需要将["hello", "world"]转换成[h,e,l,l,o,w,o,r,l,d]，可以尝试一下使用map，那你会惊讶地发现，可能结果不是你想象中的那样。如果不信可以执行下面这段代码，就会发现map与flatMap之间的区别了，

Stream.of("hello", "world").map(s -> s.split("")).forEach(System.out::println);
System.out.println("--------------");
Stream.of("hello", "world").flatMap(s -> Stream.of(s.split(""))).forEach(System.out::println);
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3. filter

filter则实现了过滤的功能，如果只需要[1,2,3,4,5]中的奇数，可以如下，

IntStream.rangeClosed(1, 5).filter(x -> x % 2 == 1).forEach(System.out::println);
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4. sorted和distinct

其中sorted表示排序，distinct表示去重，简单的示例如下：

Integer[] arr = new Integer[]{5, 1, 2, 1, 3, 1, 2, 4};    // 千万不要用int
Stream.of(arr).sorted().forEach(System.out::println);
Stream.of(arr).distinct().forEach(System.out::println);
Stream.of(arr).distinct().sorted().forEach(System.out::println);
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5. collect

在流操作中，我们往往需求是从一个List得到另一个List，而不是直接通过forEach来打印。那么这个时候就需要使用到collect了。依然是之前的例子，将[1,2,3,4]转换成[1,4,9,16]。

List<Integer> list1= Stream.of(1, 2, 3, 4).map(x -> x * x).collect(Collectors.toList());
        
// 对于IntStream生成的流需要使用mapToObj而不是map
List<Integer> list2 = IntStream.rangeClosed(1, 4).mapToObj(x -> x * x).collect(Collectors.toList());
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3. 补充

并行流

除了普通的stream之外还有parallelStream，区别比较直观，就是stream是单线程执行，parallelStream为多线程执行。parallelStream的创建及使用基本与stream类似，

List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4);
// 直接创建一个并行流
list.parallelStream().map(x -> x * x).forEach(System.out::println);
// 或者将一个普通流转换成并行流
list.stream().parallel().map(x -> x * x).forEach(System.out::println);
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不过由于是并行执行，parallelStream并不保证结果顺序，同样由于这个特性，如果能使用findAny就尽量不要使用findFirst。

使用parallelStream时需要注意的一点是，多个parallelStream之间默认使用的是同一个线程池，所以IO操作尽量不要放进parallelStream中，否则会阻塞其他parallelStream。

三、Optional

Optional的引入是为了解决空指针异常的问题，事实上在Java8之前，Optional在很多地方已经较为广泛使用了，例如scala、谷歌的Guava库等。

在实际生产中我们经常会遇到如下这种情况，

public class FunctionMain {

    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        String result = null;
        if (person != null) {
            Address address = person.address;
            if (address != null) {
                Country country = address.country;
                if (country != null) {
                    result = country.name;
                }
            }
        }
        System.out.println(result);
    }
}

class Person {
    Address address;
}

class Address {
    Country country;
}

class Country {
    String name;
}
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每每写到这样的代码，作为编码者一定都会头皮发麻，满心地不想写，但是却不得不写。这个问题如果使用Optional，或许你就能找到你想要的答案了。

Optional的基本操作

1. 创建Optional

Optional.empty();          // 创建一个空Optional
Optional.of(T value);      // 不接受null，会报NullPointerException异常
Optional.ofNullable(T value);     // 可以接受null
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2. 获取结果

get();                                   // 返回里面的值，如果值为null，则抛异常
orElse(T other);                         // 有值则返回值，null则返回other
orElseGet(Supplier other);               // 有值则返回值，null则由提供的lambda表达式生成值
orElseThrow(Supplier exceptionSupplier); // 有值则返回值，null则抛出异常
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3. 判断是否为空

isPresent();       // 判断是否为空
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到这里，我们可能会开始考虑怎么用Optional解决引言中的问题了，于是思考半天，写出了这样一段代码，

public static void main(String[] args) {
    Person person = new Person();
    String result = null;
    Optional<Person> per = Optional.ofNullable(person);
    if (per.isPresent()) {
        Optional<Address> address = Optional.ofNullable(per.get().address);
        if (address.isPresent()) {
            Optional<Country> country = Optional.ofNullable(address.get().country);
            if (country.isPresent()) {
                result = Optional.ofNullable(country.get().name).orElse(null);
            }
        }
     }
     System.out.println(result);
}
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啊嘞嘞，感觉不仅没有使得代码变得简单，反而变得更加复杂了。那么很显然这并不是Optional的正确使用方法。接下来的部分才是Optional的正确使用方式。

4. 链式方法

在Optional中也有类似于Stream API中的链式方法map、flatMap、filter、ifPresent。这些方法才是Optional的精髓。此处以最典型的map作为例子，可以看看map的源码

public<U> Optional<U> map(Function<? super T, ? extends U> mapper) {
    Objects.requireNonNull(mapper);
    if (!isPresent())
        return empty();
    else {
        return Optional.ofNullable(mapper.apply(value));
    }
}
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源码很简单，可以看到对于null情况仍然返回null，否则返回处理结果。那么此再来思考一下引言的问题，那就可以很简单地改写成如下的写法，

public static void main(String[] args) {
    Person person = new Person();
    String result = Optional.ofNullable(person)
            .map(per -> per.address)
            .map(address -> address.country)
            .map(country -> country.name).orElse(null);
    System.out.println(result);
}
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哇哇哇，相比原先的null写法真真是舒服太多了。

map与flatMap的区别

这两者的区别，同样使用一个简单的例子来解释一下吧，

public class FunctionMain {

    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        String name = Optional.ofNullable(person).flatMap(p -> p.name).orElse(null);
        System.out.println(name);
    }
}

class Person {
    Optional<String> name;
}
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在这里使用的不是map而是flatMap，稍微观察一下，可以发现Person中的name不再是String类型，而是Optional<String>类型了，如果使用map的话，那map的结果就是Optional<Optional<String>>了，很显然不是我们想要的，flatMap就是用来将最终的结果扁平化(简单地描述，就是消除嵌套)的。

至于filter和ifPresent用法类似，就不再叙述了。

四、其他一些函数式概念在Java中的实现

由于个人目前为止也只是初探函数式阶段，很多地方了解也不多，此处只列举两个。(注意：下面的部分应用函数与柯里化对应的是scala中的概念，其他语言中可能略有偏差)

部分应用函数(偏应用函数)

部分应用函数指的是对于一个有n个参数的函数f，但是我们只提供m个参数给它(m < n)，那么我们就可以得到一个部分应用函数，简单地描述一下，如下

在这里 就是 的一个部分应用函数。

BiFunction<Integer, Integer, Integer> f = (x, y) -> x + y;
Function<Integer, Integer> g = x -> f.apply(1, x);
System.out.println(g.apply(2));
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柯里化

柯里化就是把接受多个参数的函数变换成接受一个单一参数（最初函数的第一个参数）的函数，并且返回接受余下的参数而且返回结果的新函数的技术。换个描述，如下

Java中对柯里化的实现如下，

Function<Integer, Function<Integer, Integer>> f = x -> y -> x + y;
System.out.println(f.apply(1).apply(2));
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因为Java限制，我们不得不写成 f.apply(1).apply(2) 的形式，不过视觉上的体验与直接写成 f(1)(2) 相差就很大了。

柯里化与部分应用函数感觉很相像，不过因为个人几乎未使用过这两者，因此此处就不发表更多见解。

参考

[1] java.util.stream 库简介

[2] Java 8 中的 Streams API 详解

[3] 了解、接受和利用Java中的Optional(类)

[4]维基百科-柯里化

[5]维基百科-λ演算