写在前面
前面说过,判断一门语言是否支持函数式编程,一个重要的判断标准就是:它是否将函数看做是“第一等公民(first-class citizens)”。
函数是“第一等公民”,意味着函数和其它数据类型具备同等的地位——可以赋值给某个变量,可以作为另一个函数的参数,也可以作为另一个函数的返回值。
Java 8是通过函数式接口,赋予了函数“第一等公民”的特性。
本文将详细介绍Java 8中的函数式接口。
本文的示例代码可从gitee上获取:https://gitee.com/cnmemset/javafp
函数式接口
什么是函数式接口(function interface)?只有一个抽象方法的接口都属于函数式接口。
按照规范,我们强烈建议在定义函数式接口时,加上注解 @FunctionalInterface,这样在编译阶段就可以判断该接口是否符合函数式接口的规范。当然,也可以不加注解 @FunctionalInterface,这并不影响函数式接口的定义和使用。
以下是一个典型的函数式接口 Consumer:
// 强烈建议加上注解@FunctionalInterface@FunctionalInterfacepublic interface Consumer<T> {// 唯一的抽象方法void accept(T t);// 可以有多个非抽象方法(默认方法)default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {Objects.requireNonNull(after);return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };}}
函数式接口本质是一个接口(interface),所以我们可以通过一个具体的类(包括匿名类)来实现一个函数式接口。但与普通接口不同,函数式接口的实现还可以是一个lambda表达式,甚至可以是一个方法引用(method reference)。
下面,我们逐一介绍JDK中内置的一些典型的函数式接口。
Java 8中内置的函数式接口
Java 8新增的内置函数式接口都在包 java.util.function 中定义,主要包括:
1. Functions
Function
在代码世界,最为常见的一种函数式接口是接收一个参数值,然后返回一个响应值。JDK提供了一个标准的泛型函数式接口 Function:
@FunctionalInterfacepublic interface Function<T, R> {/*** 给定一个类型为T的参数t,返回一个类型为R的响应值。** @param t 函数参数* @return 执行结果*/R apply(T t);...}
Function的一个经典应用场景是Map的computeIfAbsent函数:
public V computeIfAbsent(K key,Function<? super K, ? extends V> mappingFunction);
computeIfAbsent函数会先判断对应key在map中是否存在,如果key不存在,则通过参数 mappingFunction 来计算得出一个value,并将这个键值对<key, value>写入到map中,并返回计算出来的value。如果key已存在,则返回map中key对应的value。
假设一个应用场景,我们要构建一个HashMap,key是某个单词,value是单词的字母长度。实例代码如下:
public static void testFunctionWithLambda() {// 构建一个HashMap,key是某个单词,value是单词的字母长度Map<String, Integer> wordMap = new HashMap<>();Integer wordLen = wordMap.computeIfAbsent(\"hello\", s -> s.length());System.out.println(wordLen);System.out.println(wordMap);}
上面的实例会输出:
5
{hello=5}
注意到代码片段“s -> s.length()”,这是一个典型的lambda表达式,含义等同于函数:
public static int getStringLength(String s) {return s.length();}
更详尽具体的lambda表达式的介绍可以参考随后的系列文章。
之前提到过,函数式接口也可以通过一个方法引用(method reference)来实现。实例代码如下:
public static void testFunctionWithMethodReference() {Map<String, Integer> wordMap = new HashMap<>();Integer wordLen = wordMap.computeIfAbsent(\"hello\", String::length);System.out.println(wordLen);System.out.println(wordMap);}
注意到方法引用“String::length”,Java 8允许我们将一个实例方法转化成一个函数式接口的实现。 它的含义和 lambda 表达式 “s -> s.length()” 是相同的。
更详尽具体的方法引用的介绍可以参考随后的系列文章。
BiFunction
Function 限制了只能有一个参数,但两个参数的情形也非常常见,所以就有了BiFunction,它接收两个参数值,然后返回一个响应值:
@FunctionalInterfacepublic interface BiFunction<T, U, R> {/*** 给定类型分别为T的参数t和类型为U的参数u,返回一个类型为R的响应值。** @param t 第一个参数* @param u 第二个参数* @return 执行结果*/R apply(T t, U u);...}
BiFunction的一个经典应用场景是Map的replaceAll函数。
public void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function)
Map的replaceAll函数,会遍历Map中的所有Entry,通过BiFunction类型的参数 function 计算出一个新值,然后用新值替换旧值。
假设一个应用场景,我们使用一个HashMap,记录了一些单词和它们的长度,接着产品经理提了一个新需求,要求对某些指定的单词,长度统一记录为0。实例代码如下:
public static void testBiFunctionWithLambda() {Map<String, Integer> wordMap = new HashMap<>();wordMap.put(\"hello\", 5);wordMap.put(\"world\", 5);wordMap.put(\"on\", 2);wordMap.put(\"at\", 2);// lambda表达式中的k和v,分别是Map中Entry的key和原值value。// lambda表达式的返回值是一个新值value。wordMap.replaceAll((k, v) -> {if (\"on\".equals(k) || \"at\".equals(k)) {// 对应单词on和at,单词长度统一记录为0return 0;} else {// 其它单词,单词长度保持原值return v;}});System.out.println(wordMap);}
上述代码的输出为:
{world=5, at=0, hello=5, on=0}
2. Supplier
除了Function和BiFunction,还有一种常见的函数式接口是不需要任何参数,直接返回一个响应值。这就是Supplier:
@FunctionalInterfacepublic interface Supplier<T> {/*** 获取一个类型为T的对象实例。** @return 对象实例*/T get();}
Supplier的一个典型应用场景是快速实现了工厂类的生产方法,包括延时的或者异步的生产方法。示例代码如下:
public class SupplierExample {public static void main(String[] args) {testSupplierWithLambda();}public static void testSupplierWithLambda() {final Random random = new Random();// 生成一个随机整数lazyPrint(() -> {return random.nextInt(100);});// 延时3秒,生成一个随机整数lazyPrint(() -> {try {System.out.println(\"waiting for 3s...\");Thread.sleep(3*1000);} catch (InterruptedException e) {// do nothing}return random.nextInt(100);});}public static void lazyPrint(Supplier<Integer> lazyValue) {System.out.println(lazyValue.get());}}
上述代码输出类似:
26
waiting for 3s…
27
3. Consumers
如果说Supplier属于生产者,那与之相对的是消费者Consumer。
Consumer
与Supplier相反,Consumer 接收一个参数,而不返回任何值。
@FunctionalInterfacepublic interface Consumer<T> {/*** 对给定的单一参数执行相关操作。** @param t 输入参数*/void accept(T t);...}
示例代码:
public static void testConsumer() {List<String> list = Arrays.asList(\"Guangdong\", \"Zhejiang\", \"Jiangsu\");// 消费 list 中的每一个元素list.forEach(s -> System.out.println(s));}
上述代码的输出为:
Guangdong
Zhejiang
Jiangsu
BiConsumer
还有BiConsumer,语义和Consumer一致,不同的是BiConsumer接收2个参数。
@FunctionalInterfacepublic interface BiConsumer<T, U> {/*** 对给定的2个参数执行相关操作。** @param t 第一个参数* @param u 第二个参数*/void accept(T t, U u);...}
示例代码:
public static void testBiConsumer() {Map<String, String> cityMap = new HashMap<>();cityMap.put(\"Guangdong\", \"Guangzhou\");cityMap.put(\"Zhejiang\", \"Hangzhou\");cityMap.put(\"Jiangsu\", \"Nanjing\");// 消费 map中的每一个(key, value)键值对cityMap.forEach((key, value) -> {System.out.println(String.format(\"%s 的省会是 %s\", key, value));});}
上述代码的输出是:
Guangdong 的省会是 Guangzhou
Zhejiang 的省会是 Hangzhou
Jiangsu 的省会是 Nanjing
4. Predicate
Predicate 的含义是接收一个参数值,然后依据给定的断言条件,返回一个boolean值。它实质上一个特殊的 Function,一个指定了返回值类型为boolean的 Function。
@FunctionalInterfacepublic interface Predicate<T> {/*** 根据给定参数,计算得到一个boolean结果。** @param t 输入参数* @return 如果参数符合断言条件,返回true,否则返回false*/boolean test(T t);...}
Predicate 的使用场景通常是用来作为某种过滤条件。实例代码:
public static void testPredicate() {List<String> provinces = new ArrayList<>(Arrays.asList(\"Guangdong\", \"Jiangsu\", \"Guangxi\", \"Jiangxi\", \"Shandong\"));boolean removed = provinces.removeIf(s -> {return s.startsWith(\"G\");});System.out.println(removed);System.out.println(provinces);}
上述代码是过滤掉以字母 G 开头的省份,输出为:
true
[Jiangsu, Jiangxi, Shandong]
5. Operators
Operator 函数式接口是一种特殊的 Function,要求返回值类型和参数类型是相同的。
和 Function/BiFunction 一样,Operators 也支持1个或2个参数。
UnaryOperator
UnaryOperator 支持1个参数,UnaryOperator<T> 等同于 Function<T, T>:
@FunctionalInterfacepublic interface UnaryOperator<T> extends Function<T, T> { ... }
UnaryOperator的示例代码——将省份拼音转换大写与小写字母:
public static void testUnaryOperator() {List<String> provinces = Arrays.asList(\"Guangdong\", \"Jiangsu\", \"Guangxi\", \"Jiangxi\", \"Shandong\");// 将省份的字母转换成大写字母// 使用lambda表达式来实现UnaryOperatorprovinces.replaceAll(s -> s.toUpperCase());System.out.println(provinces);// 将省份的字母转换成小写字母。// 使用方法引用(method reference)来实现UnaryOperatorprovinces.replaceAll(String::toLowerCase);System.out.println(provinces);}
上述代码输出为:
[GUANGDONG, JIANGSU, GUANGXI, JIANGXI, SHANDONG]
[guangdong, jiangsu, guangxi, jiangxi, shandong]
BinaryOperator
BinaryOperator 支持2个参数,BinaryOperator<T> 等同于 BiFunction<T, T>:
@FunctionalInterfacepublic interface BinaryOperator<T> extends BiFunction<T, T, T> {... }
BinaryOperator的示例代码——计算List中的所有整数的和:
public static void testBinaryOperator() {List<Integer> values = Arrays.asList(1, 3, 5, 7, 11);// 使用 reduce 方法进行求和:0+1+3+5+7+11 = 27int sum = values.stream().reduce(0, (a, b) -> a + b);System.out.println(sum);}
上述代码的输出为:
27
6. Java 7及之前版本遗留的函数式接口
前面提到过函数式接口的定义:只有一个抽象方法的接口都属于函数式接口。
按照这个定义,在Java 7或之前版本中定义的一些“老”接口也属于函数式接口,包括:
Runnable、Callable、Comparator等等。
当然,这些遗留的函数式接口,在Java 8中也加上了注解 @FunctionalInterface 。
组合函数式接口
我们在第一篇提到过:函数式编程是一种编程范式(programming paradigm),追求的目标是整个程序都由函数调用以及函数组合构成的。
函数组合(function composing),指的是将一系列简单函数组合起来形成一个复合函数。
Java 8中的函数式接口也提供了函数组合的功能。大家注意观察,可以发现基本每个内置的函数式接口都有一个非抽象的方法 andThen。andThen方法的功能是将多个函数式接口组合在一起,以串行的顺序逐一执行,从而形成一个新的函数式接口。
以Consumer.andThen方法为例,它返回一个新的Consumer实例。新的Consumer实例会先执行当前的accpet方法,然后再执行 after 的accpet方法。源码片段如下:
@FunctionalInterfacepublic interface Consumer<T> {...default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {Objects.requireNonNull(after);// 先执行当前Consumer的accept方法,再执行after的accept方法// 特别要注意的是,accept(t) 不能写在return语句之前,否则accept(t)将会被提前执行return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };}...}
示例代码如下:
public static void testConsumerAndThen() {Consumer<String> printUpperCase = s -> System.out.println(s.toUpperCase());Consumer<String> printLowerCase = s -> System.out.println(s.toLowerCase());// 组合得到一个新的 Consumer :先打印大写样式,再打印小写样式Consumer<String> prints = printUpperCase.andThen(printLowerCase);List<String> list = Arrays.asList(\"Guangdong\", \"Zhejiang\", \"Jiangsu\");list.forEach(prints);}
上述代码的输出是:
GUANGDONG
guangdong
ZHEJIANG
zhejiang
JIANGSU
jiangsu
Function.andThen 方法则更复杂一些,它返回一个新的Function实例,在新的Function中,会先用类型为 T 的参数 t 执行当前的apply方法,得到一个类型为 R 的返回值 r,然后将 r 作为输入参数,继续执行 after 的apply方法,最终得到一个类型为 V 的返回值:
@FunctionalInterfacepublic interface Function<T, R> {default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after){Objects.requireNonNull(after);// 先用类型为T的参数t执行当前的apply方法,得到一个类型为R的返回值r ;// 然后将r作为输入参数,继续执行after 的apply方法,最终得到一个类型为V的返回值;// 特别要注意的是,apply(t)不能写在return语句之前,否则apply(t)将会被提前执行。return (T t) -> after.apply(apply(t));}}
代码示例:
public static void testFunctionAndThen() {// wordLen 计算单词的长度Function<String, Integer> wordLen = s -> s.length(); // 等同于 s -> { return s.length(); }// effectiveWord 单词长度大于等于4,才认为是有效单词Function<Integer, Boolean> effectiveWordLen = len -> len >= 4;// Function<String, Integer> 和 Function<Integer, Boolean> 组合得到一个新的 Function<String, Boolean> ,// 像是消消乐: <String, Integer> 遇到了 <Integer, Boolean> ,消去了 Integer 类型后,得到了 <String, Boolean> 。Function<String, Boolean> effectiveWord = wordLen.andThen(effectiveWordLen);Map<String, Boolean> wordMap = new HashMap<>();wordMap.computeIfAbsent(\"hello\", effectiveWord);wordMap.computeIfAbsent(\"world\", effectiveWord);wordMap.computeIfAbsent(\"on\", effectiveWord);wordMap.computeIfAbsent(\"at\", effectiveWord);System.out.println(wordMap);}
上述代码输出为:
{at=false, world=true, hello=true, on=false}
结语
Java 8是通过函数式接口,赋予了函数“第一等公民”的特性。
通过函数式接口,使得函数和其它数据类型一样,可以赋值给某个变量、可以作为另一个函数的参数、也可以作为另一个函数的返回值。
函数式接口的实现,可以是一个类(包括匿名类),但更多的是一个lambda表达式或者一个方法引用(method reference)。