Java8的函数式编程简介

注：本文主要参考了《Java 8实战》这本书。

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

方法3：Java 8的Lambda

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

• 方法3：

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

这就是Java 8的Lambda，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，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（类似 @Override 注解）。

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

总结：Lambda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，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

重磅武器终于要出场了！

前面介绍的内容里，都在 filterApples() 方法里，对List进行了遍历，这种遍历是显式的，称为“外部迭代”。Java 8引入了Stream，可以实现“内部迭代”，不再需要显式遍历集合，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。

使用Stream的一般步骤是：

1. 创建流：比如 list0.stream() ，把List转换为流
2. 操作流：比如 filter() 、 map() ，可以是单个操作，也可以是多个操作的复合，操作的结果仍然是流
3. 从流生成结果：比如 collect(Collectors.toList()) ，把流转换为List

本例中，需求是要查找满足条件的苹果，该应用场景适用于Stream的 filter() 方法，其方法签名如下：

    Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate);

看到 Predicate ，我们就知道，Lambda可以大显身手了。

最终代码如下（连 filterApples() 方法也不需要了）：

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

可见，只需一行代码就搞定了!

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();

注：前面提到过， Predicate 是函数式接口，只有一个 test() 抽象方法，而这里的 not() 方法，是其默认方法（在接口里有默认实现）。

• 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)));

注意：该例有点类似于SQL语句： SELECT COLOR, AVG(WEIGHT) FROM LIST0 GROUP BY COLOR 。

总结

流的优点非常多：

• 简化代码，更接近人类语言，对于编写，理解，维护都非常方便
• 复合性：流可以复合，更灵活，而且复合流可以自动优化
• 并行性：不需了解和编写多线程代码，隐藏了实现细节

总之，Java 8的流很好很强大，一定要多用它。

参考

• https://livebook.manning.com/book/java-8-in-action/