Java 8 Lambda 表达式详解

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1. 引言

在 Java 8 以前,若我们想要把某些功能传递给某些方法,总要去写匿名类。以前注册事件监听器的写法与下面的示例代码就很像:

manager.addScheduleListener(new ScheduleListener() {
    @Override
    public void onSchedule(ScheduleEvent e) {        
        // Event listener implementation goes here...
    }
});

这里我们添加了一些自定义代码到 Schedule 监听器中,需要先定义匿名内部类,然后传递一些功能到 onSchedule 方法中。

正是 Java 在作为参数传递普通方法或功能的限制,Java 8 增加了一个全新语言级别的功能,称为 Lambda 表达式

2. 为什么 Java 需要 Lambda 表达式

Java 是面向对象语言,除了原始数据类型之处,Java 中的所有内容都是一个对象。而在函数式语言中,我们只需要给函数分配变量,并将这个函数作为参数传递给其它函数就可实现特定的功能。JavaScript 就是功能编程语言的典范(闭包)。

Lambda 表达式的加入,使得 Java 拥有了函数式编程的能力。在其它语言中,Lambda 表达式的类型是一个函数;但在 Java 中,Lambda 表达式被表示为对象,因此它们必须绑定到被称为功能接口的特定对象类型。

3. Lambda 表达式简介

Lambda 表达式是一个匿名函数(对于 Java 而言并不很准确,但这里我们不纠结这个问题)。简单来说,这是一种没有声明的方法,即没有访问修饰符,返回值声明和名称。

在仅使用一次方法的地方特别有用,方法定义很短。它为我们节省了,如包含类声明和编写单独方法的工作。

Java 中的 Lambda 表达式通常使用语法是 (argument) -> (body),比如:

(arg1, arg2...) -> { body }

(type1 arg1, type2 arg2...) -> { body }

以下是 Lambda 表达式的一些示例:

(int a, int b) -> {  return a + b; }

() -> System.out.println("Hello World");

(String s) -> { System.out.println(s); }

() -> 42

() -> { return 3.1415 };

3.1 Lambda 表达式的结构

Lambda 表达式的结构:

  • Lambda 表达式可以具有零个,一个或多个参数。
  • 可以显式声明参数的类型,也可以由编译器自动从上下文推断参数的类型。例如 (int a) 与刚才相同 (a)
  • 参数用小括号括起来,用逗号分隔。例如 (a, b)(int a, int b)(String a, int b, float c)
  • 空括号用于表示一组空的参数。例如 () -> 42
  • 当有且仅有一个参数时,如果不显式指明类型,则不必使用小括号。例如 a -> return a*a
  • Lambda 表达式的正文可以包含零条,一条或多条语句。
  • 如果 Lambda 表达式的正文只有一条语句,则大括号可不用写,且表达式的返回值类型要与匿名函数的返回类型相同。
  • 如果 Lambda 表达式的正文有一条以上的语句必须包含在大括号(代码块)中,且表达式的返回值类型要与匿名函数的返回类型相同。

4. 方法引用

4.1 从 Lambda 表达式到双冒号操作符

使用 Lambda 表达式,我们已经看到代码可以变得非常简洁。

例如,要创建一个比较器,以下语法就足够了

Comparator c = (Person p1, Person p2) -> p1.getAge().compareTo(p2.getAge());

然后,使用类型推断:

Comparator c = (p1, p2) -> p1.getAge().compareTo(p2.getAge());

但是,我们可以使上面的代码更具表现力和可读性吗?我们来看一下:

Comparator c = Comparator.comparing(Person::getAge);

使用 :: 运算符作为 Lambda 调用特定方法的缩写,并且拥有更好的可读性。

4.2 使用方式

双冒号(::)操作符是 Java 中的方法引用。 当们使用一个方法的引用时,目标引用放在 :: 之前,目标引用提供的方法名称放在 :: 之后,即 目标引用::方法。比如:

Person::getAge;

Person 类中定义的方法 getAge 的方法引用。

然后我们可以使用 Function 对象进行操作:

// 获取 getAge 方法的 Function 对象
Function getAge = Person::getAge;
// 传参数调用 getAge 方法
Integer age = getAge.apply(p);

我们引用 getAge,然后将其应用于正确的参数。

目标引用的参数类型是 FunctionT 表示传入类型,R 表示返回类型。比如,表达式 person -> person.getAge();,传入参数是 person,返回值是 person.getAge(),那么方法引用 Person::getAge 就对应着 Function 类型。

5. 什么是功能接口(Functional interface)

在 Java 中,功能接口(Functional interface)指只有一个抽象方法的接口。

java.lang.Runnable 是一个功能接口,在 Runnable 中只有一个方法的声明 void run()。我们使用匿名内部类实例化功能接口的对象,而使用 Lambda 表达式,可以简化写法。

每个 Lambda 表达式都可以隐式地分配给功能接口。例如,我们可以从 Lambda 表达式创建 Runnable 接口的引用,如下所示:

Runnable r = () -> System.out.println("hello world");

当我们不指定功能接口时,这种类型的转换会被编译器自动处理。例如:

new Thread(
    () -> System.out.println("hello world")
).start();

在上面的代码中,编译器会自动推断,Lambda 表达式可以从 Thread 类的构造函数签名(public Thread(Runnable r) { })转换为 Runnable 接口。

@FunctionalInterface 是在 Java 8 中添加的一个新注解,用于指示接口类型,声明接口为 Java 语言规范定义的功能接口。Java 8 还声明了 Lambda 表达式可以使用的功能接口的数量。当您注释的接口不是有效的功能接口时, @FunctionalInterface 会产生编译器级错误。

以下是自定义功能接口的示例:

package com.wuxianjiezh.demo.lambda;

@FunctionalInterface
public interface WorkerInterface {

    public void doSomeWork();
}

正如其定义所述,功能接口只能有一个抽象方法。如果我们尝试在其中添加一个抽象方法,则会抛出编译时错误。例如:

package com.wuxianjiezh.demo.lambda;

@FunctionalInterface
public interface WorkerInterface {

    public void doWork();
    public void doMoreWork();
}

错误:

Error:(3, 1) java: 意外的 @FunctionalInterface 注释
  com.wuxianjiezh.demo.lambda.WorkerInterface 不是函数接口
    在 接口 com.wuxianjiezh.demo.lambda.WorkerInterface 中找到多个非覆盖抽象方法

一旦定义了功能接口,我们就可以利用 Lambda 表达式调用。例如:

package com.wuxianjiezh.demo.lambda;

@FunctionalInterface
public interface WorkerInterface {

    public void doWork();
}

class WorkTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 通过匿名内部类调用
        WorkerInterface work = new WorkerInterface() {
            @Override
            public void doWork() {
                System.out.println("通过匿名内部类调用");
            }
        };
        work.doWork();
        
        // 通过 Lambda 表达式调用
        // Lambda 表达式实际上是一个对象。
        // 我们可以将 Lambda 表达式赋值给一个变量,就可像其它对象一样调用。
        work = ()-> System.out.println("通过 Lambda 表达式调用");
        work.doWork();
    }
}

运行结果:

通过匿名内部类调用
通过 Lambda 表达式调用

6. Lambda 表达式的例子

6.1 线程初始化

线程可以初始化如下:

// Old way
new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("Hello world");
    }
}).start();

// New way
new Thread(
    () -> System.out.println("Hello world")
).start();

6.2 事件处理

事件处理可以用 Java 8 使用 Lambda 表达式来完成。以下代码显示了将 ActionListener 添加到 UI 组件的新旧方式:

// Old way
button.addActionListener(new ActionListener() {
    @Override
    public void actionPerformed(ActionEvent e) {
        System.out.println("Hello world");
    }
});

// New way
button.addActionListener( (e) -> {
        System.out.println("Hello world");
});

6.3 遍例输出(方法引用)

输出给定数组的所有元素的简单代码。请注意,还有一种使用 Lambda 表达式的方式。

// old way
List list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7);
for (Integer n : list) {
    System.out.println(n);
}

// 使用 -> 的 Lambda 表达式
list.forEach(n -> System.out.println(n));

// 使用 :: 的 Lambda 表达式
list.forEach(System.out::println);

6.4 逻辑操作

输出通过逻辑判断的数据。

package com.wuxianjiezh.demo.lambda;

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.function.Predicate;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        List list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7);

        System.out.print("输出所有数字:");
        evaluate(list, (n) -> true);

        System.out.print("不输出:");
        evaluate(list, (n) -> false);

        System.out.print("输出偶数:");
        evaluate(list, (n) -> n % 2 == 0);

        System.out.print("输出奇数:");
        evaluate(list, (n) -> n % 2 == 1);

        System.out.print("输出大于 5 的数字:");
        evaluate(list, (n) -> n > 5);
    }

    public static void evaluate(List list, Predicate predicate) {
        for (Integer n : list) {
            if (predicate.test(n)) {
                System.out.print(n + " ");
            }
        }
        System.out.println();
    }
}

运行结果:

输出所有数字:1 2 3 4 5 6 7 
不输出:
输出偶数:2 4 6 
输出奇数:1 3 5 7 
输出大于 5 的数字:6 7 

6.4 Stream API 示例

java.util.stream.Stream接口 和 Lambda 表达式一样,都是 Java 8 新引入的。所有 Stream 的操作必须以 Lambda 表达式为参数。Stream 接口中带有大量有用的方法,比如 map() 的作用就是将 input Stream 的每个元素,映射成output Stream 的另外一个元素。

下面的例子,我们将 Lambda 表达式 x -> x*x 传递给 map() 方法,将其应用于流的所有元素。之后,我们使用 forEach 打印列表的所有元素。

// old way
List list = Arrays.asList(1,2,3,4,5,6,7);
for(Integer n : list) {
    int x = n * n;
    System.out.println(x);
}

// new way
List list = Arrays.asList(1,2,3,4,5,6,7);
list.stream().map((x) -> x*x).forEach(System.out::println);

下面的示例中,我们给定一个列表,然后求列表中每个元素的平方和。这个例子中,我们使用了 reduce() 方法,这个方法的主要作用是把 Stream 元素组合起来。

// old way
List list = Arrays.asList(1,2,3,4,5,6,7);
int sum = 0;
for(Integer n : list) {
    int x = n * n;
    sum = sum + x;
}
System.out.println(sum);

// new way
List list = Arrays.asList(1,2,3,4,5,6,7);
int sum = list.stream().map(x -> x*x).reduce((x,y) -> x + y).get();
System.out.println(sum);

7. Lambda 表达式和匿名类之间的区别

  • this 关键字。对于匿名类 this 关键字解析为匿名类,而对于 Lambda 表达式,this 关键字解析为包含写入 Lambda 的类。
  • 编译方式。Java 编译器编译 Lambda 表达式时,会将其转换为类的私有方法,再进行动态绑定。

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