lambdo表达式

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原作者&＃xff1a;ioriogami
原文&＃xff1a;https://blog.csdn.net/ioriogami/article/details/12782141

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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&＃xff1a;

    public int add(int x, int y) {
        return x &＃43; y;
    }

转成λ表达式后是这个样子&＃xff1a;
   
    (int x, int y) -> x &＃43; y;

参数类型也可以省略&＃xff0c;Java编译器会根据上下文推断出来&＃xff1a;

    (x, y) -> x &＃43; y; //返回两数之和
 
或者

    (x, y) -> { return x &＃43; y; } //显式指明返回值

可见λ表达式有三部分组成&＃xff1a;参数列表&＃xff0c;箭头&＃xff08;->&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;也没有返回值&＃xff08;相当于一个方法接受0个参数&＃xff0c;返回void&＃xff0c;其实就是Runnable里run方法的一个实现&＃xff09;&＃xff1a;

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

如果只有一个参数且可以被Java推断出类型&＃xff0c;那么参数列表的括号也可以省略&＃xff1a;

    c -> { return c.size(); }

2. λ表达式的类型&＃xff08;它是Object吗&＃xff1f;&＃xff09;

λ表达式可以被当做是一个Object&＃xff08;注意措辞&＃xff09;。λ表达式的类型&＃xff0c;叫做“目标类型&＃xff08;target type&＃xff09;”。λ表达式的目标类型是“函数接口&＃xff08;functional interface&＃xff09;”&＃xff0c;这是Java8新引入的概念。它的定义是&＃xff1a;一个接口&＃xff0c;如果只有一个显式声明的抽象方法&＃xff0c;那么它就是一个函数接口。一般用&＃64;FunctionalInterface标注出来&＃xff08;也可以不标&＃xff09;。举例如下&＃xff1a;

    &＃64;FunctionalInterface
    public interface Runnable { void run(); }
   
    public interface Callable { V call() throws Exception; }
   
    public interface ActionListener { void actionPerformed(ActionEvent e); }
   
    public interface Comparator { 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&＃xff0c;貌似不符合函数接口的定义&＃xff0c;但它的确是函数接口。这是因为equals方法是Object的&＃xff0c;所有的接口都会声明Object的public方法——虽然大多是隐式的。所以&＃xff0c;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&＃xff1a;
 
    Runnable r1 &＃61; () -> {System.out.println("Hello Lambda!");};
   
然后再赋值给一个Object&＃xff1a;

    Object obj &＃61; r1;
   
但却不能这样干&＃xff1a;

    Object obj &＃61; () -> {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&＃xff1a;

    Object o &＃61; (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&＃xff1a;

    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&＃xff0c;长的跟Runnable一模一样&＃xff1a;

    &＃64;FunctionalInterface
    public interface MyRunnable {
        public void run();
    }
   
那么

    Runnable r1 &＃61;    () -> {System.out.println("Hello Lambda!");};
    MyRunnable2 r2 &＃61; () -> {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&＃xff08;函数接口&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff1a;

    &＃64;FunctionalInterface
    public interface Function {
        R apply(T t);
    }

这个接口代表一个函数&＃xff0c;接受一个T类型的参数&＃xff0c;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&＃xff0c;跟Function的唯一不同是它没有返回值。

    &＃64;FunctionalInterface
    public interface Consumer {
        void accept(T t);
    }

还有一个Predicate&＃xff0c;用来判断某项条件是否满足。经常用来进行筛滤操作&＃xff1a;
   
    &＃64;FunctionalInterface
    public interface Predicate {
        boolean test(T t);
    }
   
综上所述&＃xff0c;一个λ表达式其实就是定义了一个匿名方法&＃xff0c;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&＃xff0c;各种回调&＃xff0c;比如事件响应器、传入Thread类的Runnable等。看下面的例子&＃xff1a;

    Thread oldSchool &＃61; new Thread( new Runnable () {
        &＃64;Override
        public void run() {
            System.out.println("This is from an anonymous class.");
        }
    } );
   
    Thread gaoDuanDaQiShangDangCi &＃61; 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&＃xff0c;你并不需要显式地把它转成一个Runnable&＃xff0c;因为Java能根据上下文自动推断出来&＃xff1a;一个Thread的构造函数接受一个Runnable参数&＃xff0c;而传入的λ表达式正好符合其run()函数&＃xff0c;所以Java编译器推断它为Runnable。

从形式上看&＃xff0c;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&＃xff1a;配合“集合类批处理操作”的内部迭代和并行处理&＃xff08;下面将要讲到&＃xff09;&＃xff1b;长期目标是将Java向函数式编程语言这个方向引导&＃xff08;并不是要完全变成一门函数式编程语言&＃xff0c;只是让它有更多的函数式编程语言的特性&＃xff09;&＃xff0c;也正是由于这个原因&＃xff0c;Oracle并没有简单地使用内部类去实现λ表达式&＃xff0c;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&＃xff08;invokedynamic&＃xff09;。

3.2 λ表达式与集合类批处理操作&＃xff08;或者叫块操作&＃xff09;

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&＃xff0c;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”&＃xff0c;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&＃xff08;Iteration&＃xff09;都是外部的&＃xff0c;即客户代码。而内部迭代意味着改由Java类库来进行迭代&＃xff0c;而不是客户代码。例如&＃xff1a;

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

可以写成&＃xff1a;

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

集合类&＃xff08;包括List&＃xff09;现在都有一个forEach方法&＃xff0c;对元素进行迭代&＃xff08;遍历&＃xff09;&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;如C&＃43;&＃43;的STL算法库、python、ruby、scala等。

Java8为集合类引入了另一个重要概念&＃xff1a;流&＃xff08;stream&＃xff09;。一个流通常以一个集合类实例为其数据源&＃xff0c;然后在其上定义各种操作。流的API设计使用了管道&＃xff08;pipelines&＃xff09;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&＃xff0c;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&＃xff1a;

    List shapes &＃61; ...
    shapes.stream()
      .filter(s -> s.getColor() &＃61;&＃61; BLUE)
      .forEach(s -> s.setColor(RED));

首先调用stream方法&＃xff0c;以集合类对象shapes里面的元素为数据源&＃xff0c;生成一个流。然后在这个流上调用filter方法&＃xff0c;挑出蓝色的&＃xff0c;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。&＃xff08;forEach方法不再返回流&＃xff0c;而是一个终端方法&＃xff0c;类似于StringBuffer在调用若干append之后的那个toString&＃xff09;

filter方法的参数是Predicate类型&＃xff0c;forEach方法的参数是Consumer类型&＃xff0c;它们都是函数接口&＃xff0c;所以可以使用λ表达式。

还有一个方法叫parallelStream()&＃xff0c;顾名思义它和stream()一样&＃xff0c;只不过指明要并行处理&＃xff0c;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&＃xff0c;Filter-Map-Reduce&＃xff1a;

    //给出一个String类型的数组&＃xff0c;找出其中所有不重复的素数
    public void distinctPrimary(String... numbers) {
        List l &＃61; Arrays.asList(numbers);
        List r &＃61; l.stream()
                .map(e -> new Integer(e))
                .filter(e -> Primes.isPrime(e))
                .distinct()
                .collect(Collectors.toList());
        System.out.println("distinctPrimary result is: " &＃43; r);
    }

第一步&＃xff1a;传入一系列String&＃xff08;假设都是合法的数字&＃xff09;&＃xff0c;转成一个List&＃xff0c;然后调用stream()方法生成流。

第二步&＃xff1a;调用流的map方法把每个元素由String转成Integer&＃xff0c;得到一个新的流。map方法接受一个Function类型的参数&＃xff0c;上面介绍了&＃xff0c;Function是个函数接口&＃xff0c;所以这里用λ表达式。

第三步&＃xff1a;调用流的filter方法&＃xff0c;过滤那些不是素数的数字&＃xff0c;并得到一个新流。filter方法接受一个Predicate类型的参数&＃xff0c;上面介绍了&＃xff0c;Predicate是个函数接口&＃xff0c;所以这里用λ表达式。

第四步&＃xff1a;调用流的distinct方法&＃xff0c;去掉重复&＃xff0c;并得到一个新流。这本质上是另一个filter操作。

第五步&＃xff1a;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&＃xff0c;这个参数指明如何收集最终结果。在这个例子中&＃xff0c;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&＃xff0c;它的意思是&＃xff1a;把结果收到一个Map&＃xff0c;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&＃xff0c;分别用以生成键和值&＃xff0c;Function是个函数接口&＃xff0c;所以这里都用λ表达式。

你可能会觉得在这个例子里&＃xff0c;List l被迭代了好多次&＃xff0c;map&＃xff0c;filter&＃xff0c;distinct都分别是一次循环&＃xff0c;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&＃xff08;lazy&＃xff09;”的&＃xff0c;而最后返回最终结果的collect方法则是“急&＃xff08;eager&＃xff09;”的。在遇到eager方法之前&＃xff0c;lazy的方法不会执行。

当遇到eager方法时&＃xff0c;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”&＃xff0c;首先它被map成整数型3&＃xff1b;然后通过filter&＃xff0c;发现是素数&＃xff0c;被保留下来&＃xff1b;又通过distinct&＃xff0c;如果已经有一个3了&＃xff0c;那么就直接丢弃&＃xff0c;如果还没有则保留。这样&＃xff0c;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&＃xff0c;toArray&＃xff0c;reduce等。

下面来看一下也许是最常用的收集器方法&＃xff0c;groupingBy&＃xff1a;

    //给出一个String类型的数组&＃xff0c;找出其中各个素数&＃xff0c;并统计其出现次数
    public void primaryOccurrence(String... numbers) {
        List l &＃61; Arrays.asList(numbers);
        Map r &＃61; 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: " &＃43; r);
    }

注意这一行&＃xff1a;

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

它的意思是&＃xff1a;把结果收集到一个Map中&＃xff0c;用统计到的各个素数自身作为键&＃xff0c;其出现次数作为值。

下面是一个reduce的例子&＃xff1a;

    //给出一个String类型的数组&＃xff0c;求其中所有不重复素数的和
    public void distinctPrimarySum(String... numbers) {
        List l &＃61; Arrays.asList(numbers);
        int sum &＃61; l.stream()
            .map(e -> new Integer(e))
            .filter(e -> Primes.isPrime(e))
            .distinct()
            .reduce(0, (x,y) -> x&＃43;y); // equivalent to .sum()
        System.out.println("distinctPrimarySum result is: " &＃43; 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&＃xff0c;如sum()&＃xff0c;max()&＃xff0c;min()等。

再举个现实世界里的栗子比如&＃xff1a;

    // 统计年龄在25-35岁的男女人数、比例
    public void boysAndGirls(List persons) {
        Map result &＃61; persons.parallelStream().filter(p -> p.getAge()>&＃61;25 && p.getAge()<&＃61;35).
            collect(
                Collectors.groupingBy(p->p.getSex(), Collectors.summingInt(p->1))
        );
        System.out.print("boysAndGirls result is " &＃43; result);
        System.out.println(", ratio (male : female) is " &＃43; (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 c1 &＃61; () -> () -> { System.out.println("Nested lambda"); };
    c1.call().run();

    // 用在条件表达式中
    Callable c2 &＃61; true ? (() -> 42) : (() -> 24);
    System.out.println(c2.call());

    // 定义一个递归函数&＃xff0c;注意须用this限定
    protected UnaryOperator factorial &＃61; i -> i &＃61;&＃61; 0 ? 1 : i * this.factorial.apply( i - 1 );
    ...
    System.out.println(factorial.apply(3));

在Java中&＃xff0c;随声明随调用的方式是不行的&＃xff0c;比如下面这样&＃xff0c;声明了一个λ表达式(x, y) -> x &＃43; y&＃xff0c;同时企图通过传入实参(2, 3)来调用它&＃xff1a;

    int five &＃61; ( (x, y) -> x &＃43; y ) (2, 3); // ERROR! try to call a lambda in-place

这在C&＃43;&＃43;中是可以的&＃xff0c;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&＃xff08;Capture&＃xff09;

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&＃xff08;即除了它自己的参数和内部定义的本地变量&＃xff09;的问题。

答案是&＃xff1a;与内部类非常相似&＃xff0c;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&＃xff0c;除非在它内部用到了其外部类&＃xff08;包围类&＃xff09;对象的方法或者成员&＃xff0c;否则它就不持有这个对象的引用。

在Java8以前&＃xff0c;如果要在内部类访问外部对象的一个本地变量&＃xff0c;那么这个变量必须声明为final才行。在Java8中&＃xff0c;这种限制被去掉了&＃xff0c;代之以一个新的概念&＃xff0c;“effectively final”。它的意思是你可以声明为final&＃xff0c;也可以不声明final但是按照final来用&＃xff0c;也就是一次赋值永不改变。换句话说&＃xff0c;保证它加上final前缀后不会出编译错误。

在Java8中&＃xff0c;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&＃xff1a;

    ...   
    int tmp1 &＃61; 1; //包围类的成员变量
    static int tmp2 &＃61; 2; //包围类的静态成员变量
    public void testCapture() {
        int tmp3 &＃61; 3; //没有声明为final&＃xff0c;但是effectively final的本地变量
        final int tmp4 &＃61; 4; //声明为final的本地变量
        int tmp5 &＃61; 5; //普通本地变量
       
        Function f1 &＃61; i -> i &＃43; tmp1;
        Function f2 &＃61; i -> i &＃43; tmp2;
        Function f3 &＃61; i -> i &＃43; tmp3;
        Function f4 &＃61; i -> i &＃43; tmp4;
        Function f5 &＃61; i -> {
            tmp5  &＃43;&＃61; i; // 编译错&＃xff01;对tmp5赋值导致它不是effectively final的
            return tmp5;
        };
        ...
        tmp5 &＃61; 9; // 编译错&＃xff01;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&＃xff0c;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&＃xff08;Method reference&＃xff09;

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&＃xff0c;叫做方法引用。例如&＃xff1a;

    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&＃xff0c;教你使用方法引用代替λ表达式&＃xff1a;

    //c1 与 c2 是一样的&＃xff08;静态方法引用&＃xff09;
    Comparator c2 &＃61; (x, y) -> Integer.compare(x, y);
    Comparator c1 &＃61; Integer::compare;
   
    //下面两句是一样的&＃xff08;实例方法引用1&＃xff09;
    persons.forEach(e -> System.out.println(e));
    persons.forEach(System.out::println);
   
    //下面两句是一样的&＃xff08;实例方法引用2&＃xff09;
    persons.forEach(person -> person.eat());
    persons.forEach(Person::eat);
   
    //下面两句是一样的&＃xff08;构造器引用&＃xff09;
    strList.stream().map(s -> new Integer(s));
    strList.stream().map(Integer::new);
   
使用方法引用&＃xff0c;你的程序会变得更短些。现在distinctPrimarySum方法可以改写如下&＃xff1a;

    public void distinctPrimarySum(String... numbers) {
        List l &＃61; Arrays.asList(numbers);
        int sum &＃61; l.stream().map(Integer::new).filter(Primes::isPrime).distinct().sum();
        System.out.println("distinctPrimarySum result is: " &＃43; 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&＃xff08;Default method&＃xff09;

Java8中&＃xff0c;接口声明里可以有方法实现了&＃xff0c;叫做默认方法。在此之前&＃xff0c;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&＃xff0c;但一个类仍然可以实现多个接口&＃xff0c;而只能继承一个抽象类。

这么做的原因是&＃xff1a;由于Collection库需要为批处理操作添加新的方法&＃xff0c;如forEach()&＃xff0c;stream()等&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;Base1和Base2&＃xff0c;而这两个接口恰好具有完全相同的两个默认方法&＃xff0c;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&＃xff08;或者提供自己的实现&＃xff09;&＃xff1a;
   
    public class Sub implements Base1, Base2 {
   
        public void hello() {
            Base1.super.hello(); //使用Base1的实现
        }
       
    }

除了默认方法&＃xff0c;Java8的接口也可以有静态方法的实现&＃xff1a;

    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&＃xff08;Generator function&＃xff09;

有时候一个流的数据源不一定是一个已存在的集合对象&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff0c;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&＃xff1a;

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

注意这个limit(5)&＃xff0c;如果没有这个调用&＃xff0c;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&＃xff0c;或者短路&＃xff08;short-circuiting&＃xff09;操作。