Java8学习笔记（1） -- 从函数式接口说起

希望本文能够成为Java8 Lambda表达式的快速入门指南。

函数式接口

理解Functional Interface（函数式接口，以下简称FI）是学习Java8 Lambda表达式的关键所在，所以放在最开始讨论。FI的定义其实很简单：任何接口，如果只包含唯一一个抽象方法，那么它就是一个FI。为了让编译器帮助我们确保一个接口满足FI的要求（也就是说有且仅有一个抽象方法），Java8提供了@FunctionalInterface注解。举个简单的例子，Runnable接口就是一个FI，下面是它的源代码：

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

Lambda语法糖

为了能够方便、快捷、幽雅的创建出FI的实例，Java8提供了Lambda表达式这颗语法糖。下面我用一个例子来介绍Lambda语法。假设我们想对一个List<String>按字符串长度进行排序，那么在Java8之前，可以借助匿名内部类来实现：

List<String> words = Arrays.asList("apple", "banana", "pear");
words.sort(new Comparator<String>() {

    @Override
    public int compare(String w1, String w2) {
        return Integer.compare(w1.length(), w2.length());
    }

});

上面的匿名内部类简直可以用丑陋来形容，唯一的一行逻辑被五行垃圾代码淹没。根据前面的定义（并查看Java源代码）可知，Comparator是个FI，所以，可以用Lambda表达式来实现：

words.sort((String w1, String w2) -> {
    return Integer.compare(w1.length(), w2.length());
});

代码变短了好多！仔细观察就会发现，Lambda表达式，很像一个匿名的方法，只是圆括号内的参数列表和花括号内的代码被->分隔开了。垃圾代码写的越少，我们就有越多的时间去写真正的逻辑代码，不是吗？是的！圆括号里的参数类型是可以省略的：

words.sort((w1, w2) -> {
    return Integer.compare(w1.length(), w2.length());
});

如果Lambda表达式的代码块只是return后面跟一个表达式，那么还可以进一步简化：

words.sort(
    (w1, w2) -> Integer.compare(w1.length(), w2.length())
);

注意，表达式后面是没有分号的！如果只有一个参数，那么包围参数的圆括号可以省略：

words.forEach(word -> {
    System.out.println(word);
});

如果表达式不需要参数呢？好吧，那也必须有圆括号，例如：

Executors.newSingleThreadExecutor().execute(
    () -> {/* do something. */} // Runnable
);

方法引用

有时候Lambda表达式的代码就只是一个简单的方法调用而已，遇到这种情况，Lambda表达式还可以进一步简化为方法引用（Method References）。一共有四种形式的方法引用，第一种引用静态方法，例如：

List<Integer> ints = Arrays.asList(1, 2, 3);
ints.sort(Integer::compare);

第二种引用某个特定对象的实例方法，例如前面那个遍历并打印每一个word的例子可以写成这样：

words.forEach(System.out::println);

第三种引用某个类的实例方法，例如：

words.stream().map(word -> word.length()); // lambda
words.stream().map(String::length); // method reference

第四种引用类的构造函数，例如：

// lambda
words.stream().map(word -> {
    return new StringBuilder(word);
});
// constructor reference
words.stream().map(StringBuilder::new);

什么时候用Lambda表达式

既然Lambda表达式这么好用，那么，可以在哪些地方使用呢？如果你真正明白了什么是FI（很容易），应该立刻就能给出答案：任何可以接受一个FI实例的地方，都可以用Lambda表达式。比如，虽然上面给出的例子都是把Lambda表达式当作方法参数传递，但实际上你也可以定义变量：

Runnable task = () -> {
    // do something
};

Comparator<String> cmp = (s1, s2) -> {
    return Integer.compare(s1.length(), s2.length());
};

预定义函数式接口

Java8除了给Runnable，Comparator等接口打上了@FunctionalInterface注解之外，还预定义了一大批新的FI。这些接口都在java.util.function包里，下面简单介绍其中的几个。

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

Predicate用来判断一个对象是否满足某种条件，比如，单词是否由六个以上字母组成：

words.stream()
    .filter(word -> word.length() > 6)
    .count();

Function表示接收一个参数，并产生一个结果的函数：

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);
}

下面的例子将集合里的每一个整数都乘以2：

ints.stream().map(x -> x * 2);

Consumer表示对单个参数进行的操作，前面例子中的forEach()方法接收的参数就是这种操作：

@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {
    void accept(T t);
}

对原有API的增强

为了充分发挥Lambda的威力，Java8对很多老的类库进行了增强，给它们配备了Lambda武器。比如前面例子中用到的forEach()方法，实际上是添加到Iterable接口中的。而多次出现的stream()方法，则是添加在了Collection接口里。用过Ruby，Scala，Groovy等语言的Java程序员，可能已经对在这些语言里很好实现的外部迭代器模式垂涎很久了。虽然Google的Guava可以在一定程度上弥补Java的这种缺陷，但是Java8的Lambda才真正让Java朝着函数式编程迈进了一大步。

接口的默认方法

细心的读者可能会发现一个问题，给Iterable和Collection等接口增加方法，岂不是会破坏接口的向后兼容性？是的，为了保证API的向后兼容性，Java8对接口的语法进行了较大的调整，增加了默认方法（Default Methods）。下面是forEach()方法的实现代码：

public interface Iterable<T> {
    ...
    default void forEach(Consumer<? super T> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (T t : this) {
            action.accept(t);
        }
    }
    ...
}

接口的静态方法

除了抽象方法和默认方法，从Java8开始，接口也可以有静态（static）方法了。有了这个语法，我们就可以把和接口相关的帮助方法（Helper Methods）直接定义在接口里了。比如Function接口就定义了一个工厂方法indentity()：

public interface Function<T, R> {
    ...
    /**
     * Returns a function that always returns its input argument.
     *
     * @param <T> the type of the input and output objects to the function
     * @return a function that always returns its input argument
     */
    static <T> Function<T, T> identity() {
        return t -> t;
    }
...
}

变量捕获

和内部类一样，Lambda也可以访问外部（词法作用域）变量，规则基本一样。Java8之前，内部类只能访问final类型的变量，Java8放宽了这种限制，只要变量实际上不可变（effectively final）就可以。换句话说，如果你给变量加上final关键字编译器也不报错，那么去掉final关键字后，它就是effectively final的。看下面的例子：

int a = 100;
Runnable x = new Runnable() {

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(a);
    }
    
};

在Java8之前，a必须是final的才能被x看到。下面用Lambda表达式重写上面的例子：

int a = 100;
Runnable x = () -> {
    System.out.println(a);
};

结论

可以看到，为了支持Lambda表达式，Java8对Java语言做了很大的调整。但Lambda表达式并非只是Java语法糖，而是由编译器和JVM共同配合来实现的，这一点我会在下一篇文章里详细介绍。