一文读懂函数式接口、Lambda表达式、Stream

原创

Lorin 洛林

修改于 2024-02-02 17:49:51

3802

修改于 2024-02-02 17:49:51

文章被收录于专栏：Java 技术小屋Java 技术小屋

前言

Java 8 中引入很多有意思的新特性，本篇文章我们来聊聊其中三个比较重要的特性：函数式接口、Lambda表达式、Stream流，我们分别从示例用法、底层原理、最佳实践三个方面来了解这些特性。

版本

JDK 8

函数式接口

定义

函数式接口是 Java 8 引入的一种接口，它只包含一个抽象方法。函数式接口的存在是为了支持 Lambda 表达式，使得我们可以使用更简洁、更灵活的方式编写匿名函数。

@FunctionalInterface
interface Calculator {
    int add(int a, int b);

    default int subtract(int a, int b) {
        return a - b;
    }

    static int multiply(int a, int b) {
        return a * b;
    }
}

@FunctionalInterface 注解是可选的，推荐使用。该注解会让编译器强制检查接口是否满足函数式接口定义。

特点

只能有一个抽象方法，可以有参数和返回值。
可以包含多个默认方法（使用 default 关键字）和静态方法（使用 static 关键字），不违反函数式接口的定义。

说明：
默认方法和静态方法在 Java 8 中引入，目的是在引入新功能的同时不改变已有实现。
从而实现接口的的逐步演进，不需要同时修改所有实现类。

使用

@FunctionalInterface
interface Calculator {
    int add(int a, int b);

    default int subtract(int a, int b) {
        return a - b;
    }

    static int multiply(int a, int b) {
        return a * b;
    }
}

public class TestMain {
    public static void main(String[] args) {
        Calculator addCalculator = (a, b) -> a + b;
        System.out.println(addCalculator.add(1, 2));
        System.out.println(addCalculator.subtract(1, 2));
    }
}

Lambda表达式

Lambda 表达式是一种用于传递匿名函数的简洁语法。它提供了一种更紧凑的方式来表示可以传递给方法的代码块。Lambda 表达式主要用于函数式接口，可以看作是对函数式接口的一个实现。

Calculator addCalculator = (a, b) -> a + b;

主要场景

简化匿名内部类的写法，但无法简化所有匿名内部类，只能简化满足函数式接口的匿名内部类。

用法

无参写法

实现创建一个简单的线程。

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    /**
     * When an object implementing interface <code>Runnable</code> is used
     * to create a thread, starting the thread causes the object's
     * <code>run</code> method to be called in that separately executing
     * thread.
     * <p>
     * The general contract of the method <code>run</code> is that it may
     * take any action whatsoever.
     *
     * @see     java.lang.Thread#run()
     */
    public abstract void run();
}


        // JDK7 匿名内部类写法
        new Thread(new Runnable() {// 接口名
            @Override
            public void run() {// 方法名
                System.out.println("Thread run()");
            }
        }).start();
        
        // JDK8 Lambda表达式代码块写法
        new Thread(
                () -> System.out.print("Thread run()")
        ).start();

有参写法

实现根据列表中字符串元素长度进行排序。

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


        // JDK7 匿名内部类写法
        List<String> list = Arrays.asList("my", "name", "is", "lorin");
        list.sort(new Comparator<String>() {
            @Override
            public int compare(String s1, String s2) {
                if (s1 == null)
                    return -1;
                if (s2 == null)
                    return 1;
                return s1.length() - s2.length();
            }
        });

        // JDK8 Lambda表达式写法
        List<String> list = Arrays.asList("my", "name", "is", "lorin");
        list.sort((s1, s2) -> {// 省略参数表的类型
            if (s1 == null)
                return -1;
            if (s2 == null)
                return 1;
            return s1.length() - s2.length();
        });

Lambda 表达式的基础：函数式接口 + 类型推断

Lambda 表达式除了上文中提到的函数式接口，还有一个比较重要的特性来支持 Lambda 表达式简洁的写法，即类型推断：指编译器根据上下文信息推断变量的类型，而不需要显式地指定类型。类型推断的引入是为了简化代码，并提高代码的可读性和可维护性。

    CustomerInterface<Integer> action = (Integer t) -> {
        System.out.println(this);
        return t + 1;
    };
    
    
    // 使用类型推断
    CustomerInterface<Integer> action1 = t -> {
        System.out.println(this);
        return t + 1;
    };

自定义函数接口使用 Lambda 表达式

首先定义一个函数接口，函数作用是对传入的元素进行操作，最后返回操作后的元素。

// 自定义函数接口
@FunctionalInterface
public interface CustomerInterface<T> {
    T operate(T t);
}

自定义的 MyStream 类来使用自定义的函数接口。

class MyStream<T> {
    private final List<T> list;

    MyStream(List<T> list) {
        this.list = list;
    }

    public void customerForEach(CustomerInterface<T> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        list.replaceAll(action::operate);
    }
}

使用自定义的 MyStream 类实现对每一个元素的 +1 操作。

public class TestMain {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> arr = Arrays.asList(1, 2, 3, 4);
        MyStream<Integer> myStream = new MyStream<>(arr);
        myStream.customerForEach(t -> t + 1);
        System.out.println(arr);
    }
}

// 输出结果
[2, 3, 4, 5]

底层实现

上面我们回顾了 JDK7 和 JDK8 对匿名内部类的写法，我们发现 JDK8 中的实现更加简洁了，但实际上不仅仅语法上更加简洁，即不是纯粹的语法糖，底层实现也发生了一些变化，下面我们一起来看一下。

`JDK7`

由于 JDK7 并不支持函数式接口、Lambda表达式，所以我们先对代码做一些简单的改造：

public interface CustomerInterface<T> {
    T operate(T t);
}

class MyStream<T> {
    private final List<T> list;

    MyStream(List<T> list) {
        this.list = list;
    }

    public void customerForEach(CustomerInterface<T> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            list.set(i, action.operate(list.get(i)));
        }
    }
}

public class TestMain {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> arr = Arrays.asList(1, 2, 3, 4);
        MyStream<Integer> myStream = new MyStream<>(arr);
        myStream.customerForEach(new CustomerInterface<Integer>() {
            @Override
            public Integer operate(Integer integer) {
                return integer + 1;
            }
        });
        System.out.println(arr);
    }
}

使用 javap 分析字节码：

 javap -c -p  .\TestMain.class
Compiled from "TestMain.java"
public class test.TestMain {
  public test.TestMain();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: iconst_4
       1: anewarray     #2                  // class java/lang/Integer
       4: dup
       5: iconst_0
       6: iconst_1
       7: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
      10: aastore
      11: dup
      12: iconst_1
      13: iconst_2
      14: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
      17: aastore
      18: dup
      19: iconst_2
      20: iconst_3
      21: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
      24: aastore
      25: dup
      26: iconst_3
      27: iconst_4
      28: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
      31: aastore
      32: invokestatic  #4                  // Method java/util/Arrays.asList:([Ljava/lang/Object;)Ljava/util/List;
      35: astore_1
      36: new           #5                  // class test/MyStream
      39: dup
      40: aload_1
      41: invokespecial #6                  // Method test/MyStream."<init>":(Ljava/util/List;)V
      44: astore_2
      45: aload_2
      46: new           #7                  // class test/TestMain$1  创建匿名内部类
      49: dup
      50: invokespecial #8                  // Method test/TestMain$1."<init>":()V
      53: invokevirtual #9                  // Method test/MyStream.customerForEach:(Ltest/CustomerInterface;)V
      56: getstatic     #10                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      59: aload_1
      60: invokevirtual #11                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
      63: return
}

从上面 46 行我们可以看出，JDK7 创建了真实的的匿名内部类。

`JDK8`

JDK8 我们以上述 自定义函数接口使用 Lambda 表达式 为例：
使用 javap 分析字节码可以发现，Lambda 表达式 被封装为一个内部的私有方法并通过 InvokeDynamic 调用，而不是像 JDK7 那样创建一个真实的匿名内部类。

 javap -c -p  .\TestMain.class
Compiled from "TestMain.java"
public class test.TestMain {
  public test.TestMain();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: iconst_4
       1: anewarray     #2                  // class java/lang/Integer
       4: dup
       5: iconst_0
       6: iconst_1
       7: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
      10: aastore
      11: dup
      12: iconst_1
      13: iconst_2
      14: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
      17: aastore
      18: dup
      19: iconst_2
      20: iconst_3
      21: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
      24: aastore
      25: dup
      40: aload_1
      41: invokespecial #6                  // Method test/MyStream."<init>":(Ljava/util/List;)V
      44: astore_2
      45: aload_2
      46: invokedynamic #7,  0              // InvokeDynamic #0:operate:()Ltest/CustomerInterface;  InvokeDynamic 调用
      51: invokevirtual #8                  // Method test/MyStream.customerForEach:(Ltest/CustomerInterface;)V
      54: getstatic     #9                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      57: aload_1
      58: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/Object;)V
      61: return

  private static java.lang.Integer lambda$main$0(java.lang.Integer); // lambda 表达式被封装为内部方法
    Code:
       0: aload_0
       1: invokevirtual #11                 // Method java/lang/Integer.intValue:()I
       4: iconst_1
       5: iadd
       6: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
       9: areturn
}

`this` 的含义

从上面我们可以知道 JDK7 和 JDK8 对匿名内部类不仅写法上不一致，底层原理也不相同。因此，如果我们在两种写法种使用 this 关键字，两者是一样的？先说答案：不一样，JDK7 的 this 指向创建的匿名内部内，而 JDK8 中Lambda表达式并不会创建真实存在的类，指向的是当前类。
下面我们结合实际案例来看一下：

`JDK7`

        CustomerInterface<Integer> action = new CustomerInterface<Integer>() {
            @Override
            public Integer operate(Integer integer) {
                System.out.println(this);
                return integer + 1;
            }
        };

        CustomerInterface<Integer> action1 = new CustomerInterface<Integer>() {
            @Override
            public Integer operate(Integer integer) {
                System.out.println(this);
                return integer + 1;
            }
        };

        System.out.println(action.operate(2));
        System.out.println(action1.operate(2));
        
        // 输出
        test.TestMain$1@8939ec3
        3
        test.TestMain$2@456bf9ce
        3

可以看到两个 this 输出地址不同，分别指向自身的匿名内部类对象。

`JDK8`

public class TestMain {

    CustomerInterface<Integer> action = t -> {
        System.out.println(this);
        return t + 1;
    };

    CustomerInterface<Integer> action1 = t -> {
        System.out.println(this);
        return t + 1;
    };

    public static void main(String[] args) {
        TestMain testMain = new TestMain();
        System.out.println(testMain.action.operate(2));
        System.out.println(testMain.action1.operate(2));
    }
}

// 输出
test.TestMain@1d81eb93
3
test.TestMain@1d81eb93
3

可以看到，两个 this 都指向同一个 testMain 对象，因为我们从前文我们可以知道 JDK8 中 Lambda 表达式 被封装为一个内部的私有方法并通过 InvokeDynamic 调用，而不是创建一个真实的匿名内部类。

Stream

Stream 是一种用于处理集合数据的高级抽象，它允许我们以声明式的方式对集合进行操作。
函数式接口提供了Lambda表达式的类型，Lambda表达式提供了一种简洁的语法来定义匿名内部类，而 Stream 提供了一种声明式的方式来处理集合数据，并与Lambda表达式无缝结合，共同支持函数式编程在Java中的应用。

特点

Stream 不存储数据，按照特定的规则进行计算，最后返回计算结果。
Stream 不改变源数据源，而返回一个新的数据源。
Stream 是惰性计算，只有调用终端操作时，中间操作才会执行。

操作

`Stream` 流创建

Stream 流支持并行流和串行流两种方式，串行流每个元素按照顺序依次处理，并行流会将流中元素拆分为多个子任务进行处理，最后再合并结果，从而提高处理效率。

    List<String> list = Arrays.asList("11", "2222", "333333");
    // 串行流
    list.stream().map(String::toString).collect(Collectors.toList());
    // 并行流
    list.parallelStream().map(String::toString).collect(Collectors.toList());
    list.stream().parallel().map(String::toString).collect(Collectors.toList());

中间操作和终端操

中间操作

只会记录操作不会立即执行，中间操作可以细分为：无状态 Stateless 和 有状态 Stateful 两种。

`无状态 Stateless`

指元素不受其它元素影响，可以继续往下执行，比如 filter() map() mapToInt() 等。

`filter`

用于筛选符合条件的元素，下一步只会拿到符合条件的元素。

List<String>strings = Arrays.asList("abc", "", "bc", "efg", "abcd","", "jkl");
// 获取空字符串的数量
long count = strings.stream().filter(string -> string.isEmpty()).count();

`map`

用于将一个流中的元素通过指定的映射函数转换为另一个流。返回类型必须是传入类型或传入类型的子类型。

        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

        // 使用 map 方法将列表中的每个元素乘以2
        List<Integer> doubledNumbers = numbers.stream()
                .map(n -> n * 2)
                .collect(Collectors.toList());

`mapToInt() mapToLong() 等`

mapToInt() 方法用于将流中的元素映射为 int 类型的流。IntStream 是针对 int 类型数据进行优化的特殊流，提供了更高效的操作和更方便的处理方式。当处理基本类型 int 数据时，推荐使用 IntStream，可以提高代码的性能和可读性。
mapToLong() 方法用于将流中的元素映射为 long 类型的流。

        // 整数列表
        Long[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

        // 使用 mapToLong() 方法将每个整数乘以自身，并收集到一个 LongStream 流中
        LongStream squares = Arrays.stream(numbers).mapToLong(t -> t * t);
        squares.sum();

`flatMap() flatMapToInt() 等`

flatMap()用于将流中的每个元素映射为一个流，然后将所有映射得到的流合并成一个新的流。
flatMapToInt() 和 flatMap() 的区别在于返回的流为 IntStream。

        // 字符串列表
        List<String> words = Arrays.asList("Java is fun", "Stream API is powerful", "FlatMap is useful");

        // 使用 flatMap() 提取每个字符串中的单词，并放入一个新的流中
        Stream<String> wordStream = words.stream()
                .flatMap(str -> Arrays.stream(str.split("\\s+")));

        // 打印流中的每个单词
        wordStream.forEach(System.out::println);
        
// 输出
Java
is
fun
Stream
API
is
powerful
FlatMap
is
useful

`peek`

用于在流的每个元素上执行指定的操作，同时保留流中的元素。peek() 方法不会改变流中的元素，而是提供一种查看每个元素的机会，通常用于调试、日志记录或记录流中的中间状态。

        // 整数列表
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

        // 使用 peek() 打印每个元素，并将元素乘以2，然后收集到一个新的列表中
        List<Integer> doubledNumbers = numbers.stream()
                .peek(num -> System.out.println("Original: " + num))
                .map(num -> num * 2)
                .peek(doubledNum -> System.out.println("Doubled: " + doubledNum))
                .collect(Collectors.toList());

        // 打印新列表中的元素
        System.out.println("Doubled Numbers: " + doubledNumbers);

`有状态 Stateful`

指元素受到其它元素影响，比如 distinct() 去重，需要处理完所有元素才能往下执行。

`distinct`

用于去除流中重复的元素，返回一个去重后的新流。distinct() 方法根据元素的 equals() 方法来判断是否重复，因此流中的元素必须实现了 equals() 方法以确保正确的去重。

        // 字符串列表
        List<String> words = Arrays.asList("hello", "world", "hello", "java", "world");

        // 使用 distinct() 方法获取不重复的单词，并收集到一个新的列表中
        List<String> uniqueWords = words.stream()
                                        .distinct()
                                        .collect(Collectors.toList());

        // 打印不重复的单词列表
        System.out.println("Unique Words: " + uniqueWords);

`limit`

用于限制流中元素的数量，返回一个包含了指定数量元素的新流。limit() 方法通常用于在处理大型数据集时，限制处理的数据量，以提高性能或减少资源消耗。需要注意的，返回的元素不一定是前三个。

        // 整数列表
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);

        // 使用 limit() 方法获取前3个元素，并收集到一个新的列表中
        List<Integer> limitedNumbers = numbers.stream()
                                              .limit(3)
                                              .collect(Collectors.toList());

        // 打印前3个元素
        System.out.println("Limited Numbers: " + limitedNumbers);

终端操作

调用终端操作计算会立即开始执行，终端操作可以细分为：非短路操作 和 短路操作。

`非短路操作`

非短路操作：需要处理完所有元素才可以拿到结果，比如 forEach() forEachOrdered()。

`collect`

将流中的元素收集到一个集合或者其他数据结构中。下面是一些常见的用法：

        // 将流中的元素收集到一个列表中：
        List<String> list = stream.collect(Collectors.toList());

        // 将流中的元素收集到一个集合中：
        Set<String> set = stream.collect(Collectors.toSet());

        // 将流中的元素收集到一个指定类型的集合中：
        ArrayList<String> arrayList = stream.collect(Collectors.toCollection(ArrayList::new));

        // 将流中的元素收集到一个字符串中，使用指定的分隔符连接：
        String result = stream.collect(Collectors.joining(", "));

        // 将流中的元素收集到一个 Map 中，根据指定的键值对：
        Map<Integer, String> map = stream.collect(Collectors.toMap(String::length, Function.identity()));

        // 对流中的元素进行分组：
        Map<Integer, List<String>> groupedMap = stream.collect(Collectors.groupingBy(String::length));

        // 对流中的元素进行分区：
        Map<Boolean, List<String>> partitionedMap = stream.collect(Collectors.partitioningBy(s -> s.length() > 3));

        // 对流中的元素进行统计：
        IntSummaryStatistics statistics = stream.collect(Collectors.summarizingInt(String::length));

`reduce`

用于将流中的元素组合成一个值。
灵活性：reduce() 方法提供了灵活的参数选项，可以根据需求选择不同的重载形式，包括指定初始值、选择累加器函数和组合器函数等，使得它可以适用于各种场景。
统一操作：reduce() 方法提供了一种统一的方式来对流中的元素进行组合操作，不论是求和、求积、字符串拼接还是其他任何类型的组合操作，都可以使用 reduce() 方法来实现，这样可以减少代码重复，提高代码的可读性和可维护性。
并行流支持：在并行流中，reduce() 方法可以更高效地利用多核处理器，通过并行化操作来提高性能。使用合适的组合器函数，可以在并行流中正确地合并部分结果，从而实现更高效的并行计算。而 sum() 函数是串行的。

        // 将流中的元素累加求和：
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        Optional<Integer> sum = numbers.stream().reduce((a, b) -> a + b);
        System.out.println("Sum: " + sum.orElse(0));  // 输出 15

        // 使用初始值进行累加求和：
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        int sum = numbers.stream().reduce(0, (a, b) -> a + b);
        System.out.println("Sum: " + sum);  // 输出 15

        // 使用初始值和组合器函数在并行流中进行累加求和：
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        int sum = numbers.parallelStream().reduce(0, (a, b) -> a + b, Integer::sum);
        System.out.println("Sum: " + sum);  // 输出 15

`短路操作`

短路操作：得到符合条件的元素就可以立即返回，而不用处理所有元素，比如 anyMatch() allMatch()。

`findFirst`

用于获取流中的第一个元素（如果存在的话），返回一个 Optional 对象。注意：返回值不一定为第一个元素。

        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        Optional<Integer> firstNumber = numbers.stream().findFirst();
        if (firstNumber.isPresent()) {
            System.out.println("First number: " + firstNumber.get());  // 输出 First number: 1
        } else {
            System.out.println("No elements found in the stream.");
        }

总结

函数式接口、Lambda表达式和Stream是Java 8引入的重要特性，它们使得Java代码更加简洁、灵活、易读。函数式接口定义了一种新的编程模式，Lambda表达式提供了一种更加简洁的语法来实现函数式接口，Stream则提供了一套丰富的操作方法来处理集合数据。通过这些特性的组合应用，可以极大地提高Java代码的开发效率和质量。
本文篇幅有限，Stream 部分仅介绍了基本定义和常见的用法，没有对 Stream 底层原理（并行、串行等）做深入解析，这部分将在下一篇文章中介绍。

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