2023-JAVA 函数式接口【理论篇】

用户27481821618582023-10-23 15:17

介绍

函数式编程已经成为现代软件开发的重要组成部分。它不仅可以使您的代码更易维护，还能够更好地利用多核处理器的并行性能。通过本文，您将学会如何运用这些理念来提高您的编程技能，编写更高效、更健壮的Java代码。在过去的几年里，Java已经发生了巨大的变化，引入了Lambda表达式和Stream API，使得函数式编程成为Java编程中的一个重要部分。本文将深入探讨这些新功能，帮助大家理解如何使用它们来编写更清晰、更简洁和更强大的Java代码。 无论你是刚入行的java程序员、即将准备入职找工作的java程序员、亦或是在行业内摸爬滚打数载每次使用或者看到lambda表达式、函数式接口都要停下来查一下百度或者其他资料。那么本文或许会给你带来一些帮助

预备知识

  • 了解Java的基本语法、面向对象编程概念和一些面向对象编程经验。如果您不具备这些基础知识，建议您首先学习Java的基础。
  • 对java中的接口、类、内部类、匿名内部类几个概念有基本的理解
  • 对泛型、通配符的使用较为熟练

容易混淆的概念

java中的stream(流)是一个多功能的概念，需要根据上下文来确定具体的含义，而通常和函数式接口、lambda表达式放在一起讨论的是java8+streams。Java 中存在多个与"stream"相关的概念，以下是其中的一些：

  1. I/O Streams : 这是Java提供的基本的输入/输出功能。它们位于java.io包中。根据数据的类型和用途，I/O streams 可以细分为：

    • Byte Streams : 处理原始二进制数据的I/O。例如：FileInputStream 和 FileOutputStream。
    • Character Streams : 处理字符数据的I/O，它们自动处理字符编码。例如：FileReader 和 FileWriter。
    • Buffered Streams : 使用缓冲来提高I/O操作的性能。例如：BufferedReader 和 BufferedWriter。
    • Data Streams : 处理原始数据类型（如 int, float 等）的I/O。例如：DataInputStream 和 DataOutputStream。
    • Object Streams : 对象序列化和反序列化的I/O。例如：ObjectInputStream 和 ObjectOutputStream。

  2. Java 8+ Streams : Java 8 引入了一个新的Stream API，它允许以函数式编程风格处理集合数据。这个API位于java.util.stream包中。它提供了一种高级、声明式的方法来操作数据。例如：

    rust 复制代码 
    List<String> myList = Arrays.asList("a1", "a2", "b1", "c2", "c1");
myList
    .stream()
    .filter(s -> s.startsWith("c"))
    .map(String::toUpperCase)
    .sorted()
    .forEach(System.out::println);
// 上述代码会筛选出以"c"开头的字符串，将它们转换为大写并排序，然后输出。

  3. Network Streams : 在网络编程中，java.net包中的套接字类（如Socket和ServerSocket）会返回I/O streams，以便读取和写入网络数据。

  4. Other Streams: 还有一些其他的库和框架提供了自己的stream概念，这通常是为了满足特定的用途和需求。

函数式编程基础

什么是函数式编程

函数式编程（Functional Programming）是一种编程范式，它强调将计算视为数学函数的计算，避免改变状态和可变数据。函数式编程的核心思想是将计算分解成多个小的、无副作用的函数，这些函数接受输入并产生输出，而不改变任何外部状态

不可变性和纯函数

不可变性（Immutability）

不可变性是指一旦数据被创建，它就不能被修改或改变。不可变性在函数式编程中非常重要，因为它有以下优势：

  1. 线程安全性：不可变对象是线程安全的，因为它们不会在多线程环境中发生竞态条件。多个线程可以同时访问不可变对象而不会导致数据损坏或不一致性。
  2. 易于推理和测试：由于不可变对象的状态不会改变，你可以更容易地理解和预测程序的行为。此外，因为不可变对象不引入副作用，你可以更轻松地编写单元测试。
  3. 函数式编程特性：不可变性是函数式编程的基础。在函数式编程中，数据不应该被修改，而是通过创建新的不可变数据来反映变化。
  4. 更好的并行性：不可变性有助于并行性，因为它消除了共享状态的需求。多线程应用程序可以更容易地并行操作不可变数据。 在Java中，你可以实现不可变性的方式包括：
  • 使用final关键字标记字段，使其成为不可变。
  • 使用private访问修饰符，限制对字段的直接访问。
  • 提供只读的访问方法，但不提供写入方法。
  • 使用构造函数或工厂方法初始化对象的状态。

纯函数（Pure Functions）

纯函数是函数式编程中的核心概念，它具有以下特性：

  1. 相同的输入产生相同的输出：对于相同的输入，纯函数总是产生相同的输出。这意味着函数的行为不受外部状态的影响，它完全依赖于输入参数。
  2. 没有副作用：纯函数不会对程序的状态产生影响，不会修改全局变量，不会进行I/O操作，也不会引发异常。它仅仅是将输入映射到输出。
  3. 引用透明性：纯函数是引用透明的，这意味着你可以用其结果替换函数的调用而不影响程序的行为。 纯函数的优点包括：
  • 易于理解：因为它们仅依赖于输入参数，所以非常容易理解和推理。
  • 易于测试：你可以轻松地编写单元测试，因为纯函数的行为是可预测的。
  • 易于优化：编译器可以进行更多的优化，因为它们不依赖于外部状态。
  • 易于并行化：纯函数不涉及共享状态，因此它们在多线程或并行环境中更容易处理。 在函数式编程中，鼓励尽可能使用纯函数来构建应用程序的核心逻辑。虽然在实际应用中，不可能做到完全避免副作用和非纯函数，但将它们限制在最小范围内有助于提高代码的质量和可维护性。

Lambda表达式的基本概念

Lambda表达式是Java 8引入的一项重要特性，它是函数式编程的核心工具之一。Lambda表达式提供了一种更简洁、更方便的方式来定义匿名函数，从而可以更容易地在代码中传递行为。以下是Lambda表达式的基本概念的展开说明：

  1. 匿名函数：Lambda表达式实际上是匿名函数，它允许您定义一个函数而无需为其分配一个名称。这使得您可以在需要时轻松地传递函数作为参数，或者在不引入冗余的命名函数时定义短小的功能块。
  2. 语法 ：Lambda表达式的语法非常简单，它由以下部分组成：
    • 参数列表：参数列表包围在圆括号中，可以有零个或多个参数。
    • 箭头符号：箭头符号"->"分隔参数列表和Lambda体。
    • Lambda体：Lambda体是一个表达式或语句块，用于执行操作。如果Lambda体包含多条语句，需要使用花括号括起来，并使用分号分隔语句。
  3. 类型推断 ：在大多数情况下，Java编译器可以通过上下文自动推断Lambda表达式的参数类型。因此，您通常不需要显式指定参数类型，如(int x, int y)，而可以简化为(x, y)。
  4. 函数式接口 ：Lambda表达式通常与函数式接口一起使用。函数式接口是一个只有一个抽象方法的接口，它可以用于存储Lambda表达式。Lambda表达式的参数类型和返回类型必须与函数式接口的抽象方法相匹配。例如，java.util.function包中的Consumer、Predicate、Function等接口都是函数式接口，可以与Lambda表达式一起使用。

匿名内部类与Lambda表达式的对比

语法差异：

匿名内部类：

csharp 复制代码 
Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Hello from anonymous inner class!");
    }
};

Lambda表达式：

ini 复制代码 
Runnable runnable = () -> {
    System.out.println("Hello from Lambda expression!");
};

长度和简洁性：

Lambda表达式通常比匿名内部类更简洁。Lambda表达式的语法更短，不需要显式声明接口类型，参数类型或方法名称。这使得代码更具可读性，特别是当只有一个抽象方法需要实现时。

参数类型推断：

Lambda表达式允许编译器从上下文中推断参数类型。因此，通常情况下，不需要显式声明参数类型，而匿名内部类需要显式指定参数类型。

作用域：

Lambda表达式和匿名内部类对变量的作用域不同。Lambda表达式可以捕获外部作用域中的变量，但这些变量必须是最终的（effectively final），即一旦赋值后不能再被修改。匿名内部类可以访问外部类的成员变量和方法，甚至可以修改它们。

适用范围：

Lambda表达式适用于函数式接口（只有一个抽象方法的接口）的实现。它们通常用于函数式编程和集合操作，如forEach，map，filter等。匿名内部类可用于实现接口中的任何方法，包括多个抽象方法的接口。

生成的字节码：

在底层，Lambda表达式生成的字节码通常比匿名内部类更紧凑，因此在某些情况下可能会产生更高效的代码。 总之，Lambda表达式的引入使得Java代码更加简洁和可读，特别是在处理函数式编程和集合操作时。匿名内部类仍然有其用途，特别是当需要实现非函数式接口的多个方法或修改外部作用域中的变量时。选择Lambda表达式还是匿名内部类通常取决于具体的上下文和需求。

Lambda表达式

Lambda表达式的语法和结构

Lambda表达式，又称为匿名函数，是一个没有声明名称、返回值标识以及访问修饰符的函数。在Java中，其语法特点如下：

  • 参数：括号内可以包含零个或多个参数。
  • 箭头符号：-> 用于连接参数和Lambda体。
  • Lambda体：可以是单个表达式或代码块。 基本形式:
r 复制代码 
(parameters) -> expression

示例:

  • 无参数、无返回值:

    csharp 复制代码 
    () -> System.out.println("Hello Lambda!")

  • 有一个参数、无返回值:

    csharp 复制代码 
    x -> System.out.println(x)

  • 有多个参数、有返回值，并有多条语句:

    ini 复制代码 
    (x, y) -> {
    int result = x + y;
    return result;
}

Lambda表达式的使用示例

使用Lambda表达式可以简化代码，并提高代码的可读性。以下是一些常见的示例。

  • 使用Runnable接口:
传统方式
csharp 复制代码 
Runnable r = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Running in traditional way!");
    }
};
使用Lambda表达式
ini 复制代码 
Runnable r = () -> System.out.println("Running using lambda!");
  • 使用Comparator接口:
传统方式
sql 复制代码 
Comparator<Integer> comparator = new Comparator<Integer>() {
    @Override
    public int compare(Integer o1, Integer o2) {
        return o1.compareTo(o2);
    }
};
使用Lambda表达式:
ini 复制代码 
Comparator<Integer> comparator = (o1, o2) -> o1.compareTo(o2);

Lambda表达式与函数式接口的关系

Lambda表达式在Java中与函数式接口紧密相关。

  • 函数式接口：函数式接口是指仅有一个抽象方法的接口。这样的接口可以有多个非抽象方法（例如默认方法和静态方法），但只能有一个抽象方法。Java 8引入了@FunctionalInterface注解，用于明确表示接口是一个函数式接口。 示例:
csharp 复制代码 
@FunctionalInterface
public interface MyFunctionalInterface {
    void execute();
}

此接口被标记为函数式接口，因此我们可以使用Lambda表达式来提供其实现。 Lambda表达式实现:

ini 复制代码 
MyFunctionalInterface myFunc = () -> System.out.println("Executing using lambda!");
  • 与Lambda的结合：因为函数式接口有且仅有一个抽象方法，这与Lambda表达式的特性相匹配。这意味着Lambda表达式可以用作函数式接口的实例。 总结：Lambda表达式提供了一种简洁、强大的方式来实现函数式接口。在许多常见的编程场景中，如Java Stream API、事件处理等，Lambda表达式都发挥了重要作用，使代码更加简洁和高效。

函数式接口概念

什么是函数式接口

函数式接口（Functional Interface）是Java 8及以后版本引入的一个概念，它是一种特殊的接口，仅包含一个抽象方法。函数式接口的目的是为了支持函数式编程，使开发者能够以更简洁的方式定义单一抽象方法的接口，从而可以使用Lambda表达式来实现这个接口的抽象方法。 下面是一些关于函数式接口的重要概念和特点：

  1. 单一抽象方法：函数式接口仅包含一个抽象方法。该方法通常用于表示某种行为或操作，可以在接口的实现中定义。
  2. @FunctionalInterface注解 ：为了明确标识一个接口为函数式接口，可以使用@FunctionalInterface注解进行标记。这个注解是可选的，但它可以帮助开发者防止在接口中添加多个抽象方法。
  3. Lambda表达式：函数式接口与Lambda表达式紧密相关。开发者可以使用Lambda表达式来创建函数式接口的实例，从而实现接口的抽象方法。
  4. 默认方法和静态方法 ：函数式接口可以包含默认方法（带有default关键字）和静态方法（带有static关键字），这些方法不会破坏接口的函数式属性。默认方法提供了一种为接口添加新方法而不破坏现有实现的机制。
  5. 通用函数接口 ：Java标准库中有一些通用的函数式接口，如Function、Consumer、Supplier、Predicate等。这些接口提供了常见的函数类型，可以在不同的上下文中重复使用。

函数式接口的出现使Java具备了更强大的函数式编程能力。它们允许开发者以更紧凑、更清晰的方式编写代码，特别是在使用Lambda表达式来传递行为时。函数式接口广泛应用于Java标准库中的API，例如集合操作、流处理、多线程编程等，使代码更具表达力和可读性。

@FunctionalInterface注解

@FunctionalInterface 是 Java 中的一个注解，用于表示一个接口是函数式接口。这个注解可以帮助开发者在代码中明确标识函数式接口，从而确保其满足函数式接口的定义，即仅包含一个抽象方法。

  1. 标识函数式接口 ：@FunctionalInterface 注解用于标识一个接口是函数式接口。只有满足函数式接口条件的接口才能被标记为函数式接口。
  2. 编译时检查 ：编译器会在使用 @FunctionalInterface 注解的接口上进行编译时检查。如果接口不符合函数式接口的条件，编译器会报错。这有助于避免不经意间破坏函数式接口的定义。
  3. 单一抽象方法 ：函数式接口应该仅包含一个抽象方法，但它可以包含多个默认方法和静态方法。@FunctionalInterface 会确保接口中只有一个抽象方法。
  4. 可选性 ：@FunctionalInterface 注解是可选的。如果一个接口符合函数式接口的定义，但没有标记 @FunctionalInterface，它仍然是一个函数式接口。然而，显式使用这个注解可以提供更明确的信息。

常见的函数式接口：Function、Consumer、Supplier、Predicate

Function<T, R>

作用：Function 表示一个接受一个类型为 T 的参数并返回一个类型为 R 的结果的函数。它用于将输入值映射到输出值，通常用于数据转换和变换操作。 示例：一个将字符串转为整数的 Function：

ini 复制代码 
Function<String, Integer> parseToInt = Integer::parseInt;
Integer result = parseToInt.apply("123"); // 结果为 123

Consumer

作用：Consumer 表示一个接受一个类型为 T 的参数并不返回结果的函数。它用于执行某种操作，通常是对输入值的消耗。 示例：一个打印字符串的 Consumer：

arduino 复制代码 
Consumer<String> printString = System.out::println;
printString.accept("Hello, World!"); // 打印 "Hello, World!"

Supplier

作用：Supplier 表示一个不接受参数但返回一个类型为 T 的结果的函数。它用于延迟计算，通常在需要值时提供值的获取。 示例：一个生成随机整数的 Supplier：

ini 复制代码 
Supplier<Integer> randomInt = () -> new Random().nextInt(100);
Integer result = randomInt.get(); // 获取一个随机整数

Predicate

作用：Predicate 表示一个接受一个类型为 T 的参数并返回一个布尔值的函数。它用于判断输入值是否满足某个条件。 示例：一个检查是否为偶数的 Predicate：

ini 复制代码 
Predicate<Integer> isEven = num -> num % 2 == 0;
boolean result = isEven.test(6); // 结果为 true

这些函数式接口常用于 Java 中的函数式编程和集合操作，例如使用 Function 对集合元素进行映射、使用 Consumer 对集合元素进行遍历、使用 Supplier 生成延迟加载的数据、使用 Predicate 进行过滤和筛选。它们提供了通用的接口来定义各种功能，使代码更加模块化、可读性更强，特别是在处理集合和数据操作时非常实用。

方法引用

什么是方法引用

方法引用是Java 8中引入的一个新功能，它提供了一种更加简洁、可读性更强的方式来引用已经存在的方法，而不需要明确地调用它。方法引用可以被视为一种特殊形式的Lambda表达式，它们都可以指向一段可执行的代码。

方法引用的不同种类

方法引用主要有三种形式：

  • 静态方法引用

    • 语法: ClassName::staticMethodName
    • 用于引用类的静态方法。

示例: 假设我们有一个Integer类中的parseInt方法，我们可以使用方法引用如下：

vbnet 复制代码 
   Function<String, Integer> func = Integer::parseInt;

  • 实例方法引用:

    • 语法: instance::methodName
    • 用于引用对象的实例方法。 示例: 假设我们有一个字符串对象，并想要引用它的toUpperCase方法：
    ini 复制代码 
    String stringInstance = "hello";
Supplier<String> supplier = stringInstance::toUpperCase;

  • 构造方法引用:

    • 语法: ClassName::new
    • 用于引用类的构造方法。 示例: 如果我们想要引用String类的构造方法，可以如下：
    javascript 复制代码 
    Function<String, String> constructorReference = String::new;

方法引用与Lambda表达式的对比

  • 简洁性:

    • 方法引用通常比相应的Lambda表达式更加简洁。当你需要直接调用一个方法而不做其他任何操作时，使用方法引用是更好的选择。

  • 表达方式:

    • Lambda表达式可以更加灵活。例如，你可以对输入参数进行某些操作，然后再调用一个方法；而方法引用则只是简单地直接调用方法。 示例: 使用Lambda表达式:
    ini 复制代码 
    List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "A", "B");
list.sort((s1, s2) -> s1.compareToIgnoreCase(s2));

    使用方法引用:

    rust 复制代码 
    list.sort(String::compareToIgnoreCase);

  • 功能:

    • Lambda表达式和方法引用都允许你引用可执行的代码片段，但方法引用通常用于引用已存在的方法，而Lambda表达式可以让你直接在代码中定义执行逻辑。 总结：方法引用和Lambda表达式都是Java 8为了支持函数式编程而引入的特性。方法引用提供了一种简洁的方式来引用已经存在的方法，而Lambda表达式则提供了定义和实现函数的能力。在实际编码中，选择哪种方式取决于具体的情境和需求。

函数式编程的核心概念

高阶函数

高阶函数是函数式编程中的核心概念。它指的是：

  • 接受一个或多个函数作为参数。
  • 返回一个函数作为结果。 Java 8引入的Streams API中充斥着高阶函数的例子。 Java示例:
ini 复制代码 
List<String> names = Arrays.asList("Alice", "Bob", "Charlie");
names.stream().forEach(name -> System.out.println(name)); // Here, forEach is a high-order function taking a function (or lambda) as a parameter.

纯函数和副作用

纯函数:
  • 总是为相同的输入返回相同的输出。
  • 没有任何副作用。
副作用：

函数对外部产生影响，例如修改外部状态、变量、数据结构，或触发外部事件（如打印、写入文件、网络请求等）。纯函数的特点使得它们可预测和可测试。在函数式编程中，纯函数是理想的，因为它们不会修改状态或导致不可预测的行为。

示例
  • 非纯函数:
csharp 复制代码 
int counter = 0;
public int increment() {
    return counter++; // Modifies external state, thus not pure.
}
  • 纯函数:
arduino 复制代码 
public int add(int a, int b) {
    return a + b; // For the same input, output is always the same. No side effects.
}

面向对象编程与函数式编程的对比

  • 基本思路:
    • OOP (面向对象编程) : 关注的是对象，将数据和处理这些数据的方法捆绑在一起形成对象，并通过消息传递进行交互。
    • FP (函数式编程) : 关注的是数据的映射和转换，以函数为中心，尤其是纯函数，避免改变状态和可变数据。
  • 状态与副作用:
    • OOP: 通过修改对象的状态来达到改变数据的目的。
    • FP: 避免状态和可变数据，尽量使用纯函数。
  • 并发:
    • OOP: 需要使用锁或其他同步机制来管理并发。
    • FP: 由于函数式编程避免使用可变状态，因此在并发环境中更容易保持安全。
  • 数据模型:
    • OOP: 通常使用类和对象来建模。
    • FP: 使用不可变数据结构和函数来建模。
  • 工具和概念:
    • OOP: 设计模式、继承、封装、多态。
    • FP: 高阶函数、纯函数、递归、函数组合、monads。 在实际的应用开发中，OOP和FP不是相互排斥的。例如，Java 8以后，Java在其面向对象的核心上引入了许多函数式编程的特性，使得开发者可以在同一应用中融合这两种编程范式

7. Stream API

  • 基础概念

    • Stream：是数据的一系列元素。它不是数据结构，也不支持元素的直接访问或修改，但可以对其进行函数式操作。
    • Source：所有 stream 都有一个数据源，如集合、数组、I/O channel。
    • Intermediate operations：这些操作会从一个 stream 转换为另一个 stream，如 filter、map。
    • Terminal operations：这些操作会关闭 stream 并生成一个结果或副作用，如 collect、forEach。

  • Stream操作详解

    中间操作 (Intermediate operations)

    1. filter(Predicate predicate)：过滤 stream 中的元素。
    2. map(Function<T, R> mapper)：将 stream 中的每个元素转换为另一个对象或类型。
    3. flatMap(Function<T, Stream> mapper)：将每个元素转换为一个 stream，然后将这些 streams 合并为一个 stream。
    4. distinct()：去除重复的元素。
    5. sorted()：排序 stream 的元素，使用它们的自然顺序。
    6. sorted(Comparator<? super T> comparator)：根据提供的比较器对 stream 的元素进行排序。
    7. peek(Consumer action)：对每个元素执行操作，主要用于调试。
    8. limit(long maxSize)：限制 stream 的大小。
    9. skip(long n)：跳过 stream 中的前 n 个元素。

  • 终止操作 (Terminal operations)

    1. forEach(Consumer action)：对每个元素执行操作。
    2. forEachOrdered(Consumer action)：以 stream 的元素的遇到顺序执行操作。
    3. toArray()：将 stream 的元素转换为数组。
    4. reduce(BinaryOperator accumulator)：从 stream 中的元素生成一个值。
    5. reduce(T identity, BinaryOperator accumulator)：从 stream 中的元素生成一个值，使用提供的初始值。
    6. reduce(U identity, BiFunction<U, ? super T, U> accumulator, BinaryOperator combiner)：更通用的归约操作，适用于并行操作。
    7. collect(Collector<? super T, A, R> collector)：将 stream 的元素转换为不同的类型或数据结构。
    8. min(Comparator<? super T> comparator)：根据比较器找到最小的元素。
    9. max(Comparator<? super T> comparator)：根据比较器找到最大的元素。
    10. count()：返回 stream 中的元素数。
    11. anyMatch(Predicate<? super T> predicate)：测试 stream 的任何元素是否满足给定的谓词。
    12. allMatch(Predicate<? super T> predicate)：测试 stream 的所有元素是否满足给定的谓词。
    13. noneMatch(Predicate<? super T> predicate)：测试 stream 的元素是否都不满足给定的谓词。
    14. findFirst()：返回 stream 的第一个元素（如果存在）。
    15. findAny()：返回 stream 中的任意元素（如果存在）。
    16. iterator()：返回一个 iterator 以访问 stream 的元素。
    17. spliterator()：返回一个 spliterator 以访问 stream 的元素。
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