Java 8——Lambda表达式

本文内容大部分来自《Java 8实战》一书

前言

在上一篇文章中,我们了解了利用行为参数化来传递代码有助于应对不断变化的需求,它允许你定义一个代码块来表示一个行为,然后传递它。一般来说,利用这个概念,你就可以编写更为灵活且可重复使用的代码了。

但是你同时也看到,使用匿名类来表示不同的行为并不令人满意:代码十分啰嗦,这会影响程序员在时间中使用行为参数化的积极性。Lambda表达式很好的解决了这个问题,它可以让你很简洁地表示一个行为或传递代码。现在你可以把Lambda表达式看作匿名功能,它基本上就是没有声明名称的方法,但和匿名类一样,它也可以作为参数传递给一个方法。

Lambda管中窥豹

可以把Lambda表达式理解为简洁地表示可传递的匿名函数的一种方式:它没有名称,但它由参数列表、函数主体、返回类型,可能还有一个抛出的异常列表。

Lambda表达式鼓励你采用上一篇文章中提到的行为参数化风格,最终结果就是你的额代码变得更加清晰、更加灵活。比如,利用Lambda表达式,你可以更为简洁地自定义一个Comparator对象:

不得不承认,代码看起来更清晰了。要是现在觉得Lambda表达式看起来一头雾水的话也没关系,很快就会一点点的解释清楚的。现在,请注意你基本上只传递了比较两个苹果重量所需要的代码。看起来就像只传递了compare方法的主体。你很快就会学到,你甚至还可以进一步简化代码。

为了进一步说明,下面给出了Java 8五个有效的Lambda表达式的例子:

Java语言设计者选择这样的语法,是因为C#和Scala等语言中的类似功能广受欢迎。Lambda的基本语法是:

(parameters) -> expression

(请注意语句的花括号)

(parameters) -> { statements; }

你可以看到,Lambda表达式的语法很简单,我们下来来测试一下你对这个模式的了解程度:

在哪里以及如何使用Lambda

现在你可能在想,在哪里可以使用Lambda表达式。直接公布答案:你可以在函数式接口上使用Lambda表达式。

函数式接口

还记得上一篇文章中,为了参数化filter方法的行为而创建的Predicate<T>接口吗?它就是一个函数式接口!为什么呢?因为Predicate仅仅定义了一个抽象方法:

public interface Predicate<T>{
    boolean test(T t);
}

一言以蔽之,函数式接口就是之定义一个抽象方法的接口。你已经知道了Java API中的一些其他函数式接口,如Comparator和Runnable

public interface Comparator<T>{
    int compare(T o1, T o2);
}

public interface Runnable{
    void run();
}

接口现在还可以拥有默认方法(即在类没有对方法进行是现实时,其主体为方法提供默认实现的方法,如List的sort方法)。哪怕有很多默认方法,只要接口只定义了一个抽象方法,它就仍然是一个函数式接口。

为了检测是否掌握了函数式接口的概念,我们来看一个小测试:

用函数式接口可以干什么呢?Lambda表达式允许你直接以内联的形式为函数式接口的抽象方法提供实现,并把整个表达式作为函数式接口的实例。这听上去可能有些绕口,但是联想到上一篇文章中的Lambda表达式改造的语句,或许就会清晰许多,它不同于使用匿名内部类来完成时的笨拙,而是更加清晰直接:

你可能会想:“为什么只有在需要函数式接口的时候才可以传递Lambda呢?”语言的设计者也考虑过其他方法,例如给Java添加函数类型,但最终他们选择了现在这种方式,因为这种方式自然且能避免语言变得更加复杂。此外,大多数Java程序员都已经熟悉了具有一个抽象方法的接口的理念(例如事件处理)。

把Lambda付诸实践:环绕执行模式

让我们通过一个例子,看看在实践中如何利用Lambda和行为参数化来让代码更为灵活,更为简洁。资源处理(例如处理文件或数据库)时一个常见的模式就是打开一个资源,做一些处理,然后关闭资源。这个设置和清理阶段总是很相似,并且会围绕着执行处理的那些重要代码。这就是所谓的环绕执行(execute around)模式:

第一步:记得行为参数化

现在这段代码时有局限的。你只能读文件的第一行。如果你想要返回头两行,甚至返回使用最频繁的词,该怎么办呢?在理想的情况下,你要重用执行设置和清理的代码,并告诉processFile方法对文件执行不同的操作。这听起来是不是很耳熟?是的,你需要把processFile的行为参数化。你需要一种方法把行为传递给processFile,以便它可以利用BufferedReader执行不同的行为。

传递行为正是Lambda的拿手好戏。那要是想一次读两行,这个新的processFile方法看起来又该是什么样的呢?基本上,你需要一个接受BufferedReader并返回String的Lambda。例如,下面就是从BufferedReader中打印两行的写法:

String result = processFile((BufferedReader br) -> 
                                            br.readLine() + br.readLine());

第二步:使用函数式接口来传递行为

前面已经解释过了,Lambda仅可用于上下文是函数式接口的情况。你需要创建一个能匹配BufferedReader -> String,还可以抛出IOException异常的接口。让我们把这一接口叫做BufferedReaderProcessor吧。

@FunctionalInterface
public interface BufferedReaderProcessor{
    String process(BufferedReader b) throws IOException;
}

@FunctionalInterface 标注表示该接口会设计成一个函数式接口。如果你用此标注定义了一个接口,而它却不是函数式接口的话,编译器将返回一个提示原因的错误。

现在你就可以把这个接口作为新的processFile方法的参数了:

public static String processFile(BufferedReaderProcessor p) throws IOException{
    ...
}

第三步:执行一个行为

任何BufferedRader -> String形式的Lambda都可以作为参数来传递,因为它们符合BufferedReaderProcessor接口中定义的process方法的签名。现在你只需要一种方法在processFile主体内执行Lambda所代表的代码。请记住,Lambda表达式允许你直接内联,为函数式接口的抽象方法提供实现,并且将整个表达式作为函数式接口的一个实例。因此,你可以在processFile主体内,对得到的BufferedReaderProcessor对象调用process方法执行处理:

public static String processFile(BufferedReaderProcesssor p) throws IOException{
    try(BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("data.txt"))){
        return p.process(br);
    }
}

第四步:传递Lambda

现在你就可以通过传递不同的Lambda重用processFile方法,并以不同的方式处理文件了:

下面的图片总结了所采取的使processFile方法更加灵活的四个步骤:

使用函数式接口

如你所见的,函数式接口很有用,因为抽象方法的签名可以描述Lambda表达式的签名。Java 8的库设计师帮你在java.util.function包中引入了几个新的函数式接口。

Predicate

java.util.function.Predicate<T>接口定义了一个名叫test的抽象方法,它接受泛型T对象,并返回一个boolean。在你需要一个涉及类型T的布尔表达式时,就可以使用这个接口:

Consumer

java.util.function.Consumer<T>定义了一个名叫accept的抽象方法,它接受泛型T的对象,没有返回(void)。你如果需要访问类型T的对象,并对其执行某些操作,就可以使用这个接口:

Function

java.util.function.Function<T,R>接口定义了一个叫做apply的方法,它接受一个泛型T的对象,并返回一个泛型R的对象。如果你需要定义一个Lambda,将输入对象的信息映射到输出,就可以使用这个接口(比如提取苹果的重量,或把字符串映射为它的长度):

还有更为丰富的一些函数式接口,这里列举了三个比较有代表性的。

方法引用

方法引用让你可以重复使用现有的方法定义,并像Lambda一样传递它们。在一些情况下,比起使用Lambda表达式,它们似乎更易读,感觉也更自然。下面就是借助Java 8API,用方法引用写的一个排序的例子:

是不是更酷了?念起来就是“给库存排序,比较苹果的重量”,这样的代码读起来简直就像是在描述问题本身,太酷了。

为什么要关心方法引用呢?方法引用可以被看作调用特定方法的Lambda的一种快捷写法。它的基本思想是,如果一个Lambda代表的知识“直接调用这个方法”,拿最好还是用名称来调用它,而不是去描述如何调用它。

事实上,方法引用就是让你根据已有的方法实现来创建Lambda表达式,但是,显式地指明方法的名称,你的代码可读性会更好。

它是如何工作的呢?当你需要使用方法引用时,目标引用放在分隔符** :: **前,方法的名称放在后面。例如,Apple::getWeight就是引用了Apple类中定义的方法getWeight。请记住,不需要括号,因为你没有实际调用这个方法,方法引用就是Lambda表达式(Apple a) -> a.getWeight()的快捷写法。

下面给出一些在Java 8中方法引用的例子来让你更加了解:

你可以把方法引用看作针对仅仅涉及单一方法的Lambda的语法糖,因为你表达同样的事情时写的代码更少了。

Lambda 和方法引用实战

我们继续来研究开始的那个问题——用不同的排序策略给一个Apple列表排序,并展示如何把一个原始粗暴的解决方案转变得更为简明:inventory.sort(comparing(Apple::getWeight));

第一步:传递代码

很幸运,Java 8的API已经为你提供了一个List可用的sort方法,你不用自己去实现它。那么最困难的部分已经搞定了!但是,如何把排序的策略传递给sort方法呢?你看,sort方法的签名是这样的: void sort(Comparator<? super E> c)

它需要一个Comparator对象来比较两个Apple!这就是在Java中传递策略的方式:它们必须包裹在一个对象里。我们说sort的行为被参数化了:传递给它的排序策略不同,其行为也会不同。

你的第一个解决方案看上去是这样的:

public class AppleComparator implements Comparator<Apple>{
    public int compare(Apple a1, Apple a2){
        return a1.getWeigh().compareTo(a2.getWeight());
    }
}
inventory.sort(new AppleComparator());

第二步:使用匿名类

你可以使用匿名类来改进解决方案,而不是实现一个Comparator却只实例化一次:

inventory.sort(new Comparator<Apple>(){
    public int compare(Apple a1, Apple a2){
        return a1.getWeight().compareTo(a2.getWeight());
    }
});

第三步:使用Lambda表达式

但你的解决方案仍然挺啰嗦的。使用Java 8引入的Lambda改进后的代码如下:

inventory.sort((a1, a2) -> a1.getWeight().compareTo(a2.getWeight()));

你的代码还能变得更易读一点吗?Comparator具有一个叫做comparing的静态辅助方法,它可以接受一个Function来提取Comparable键值,并生成一个Comparator对象。它可以像下面这样用: Comparator<Apple> c = Comparator.comparing((Apple a1) -> a.getWeight()); 现在你可以把代码再改得紧凑一点了:

import static java.util.Comparator.comparing;
inventory.sort(comparing((a) -> a.getWeight()));

第四步:使用方法引用

前面解释过,方法引用就是替代那些转发参数的Lambda表达式的语法糖。你可以用方法引用让你的代码更加简洁(假设你已经静态导入了java.util.Comparator.comparing): inventory.sort(comparing(Apple::getWeight)); 恭喜你,这就是你的最终解决方案!这笔Java 8之前的代码好在哪儿呢?它比较短;它的意思也很明显,并且代码读起来和问题描述差不多:“对库存进行排序,比较苹果的重量。”

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