本篇Blog开始学习和实践Java8中的新特性,主要分为两大部分:语言新特性和库函数新特性,重点落在工作中经常会用到的几个重大特性:
- 语言新特性:Lambda表达式和函数式接口,接口的默认方法和静态方法,方法引用
- 库函数新特性:Optional,Streams,Date/Time API(JSR 310),Base64,并行数组
接下来按照如下几个结构分别介绍和学习以上知识点:基本概念,解决问题,语法范式,实践操作,我发现虽然经常听到函数式编程这样的名词,但是好像从来不知道具体是什么,所以这次一并了解下函数式编程的概念。
函数式编程
什么是函数式编程?函数式编程是一种编程范式,除了函数式编程之外还有 命令式编程,声明式编程 等编程范式
- 命令式编程:命令式编程 是面向计算机硬件的抽象,有变量、赋值语句、表达式、控制语句等,可以理解为 命令式编程就是冯诺伊曼的指令序列。 它的主要思想是关注计算机执行的步骤,即一步一步告诉计算机先做什么再做什么,其实就是代码脚本段
- 声明式编程:声明式编程 是以数据结构的形式来表达程序执行的逻辑。它的主要思想是告诉计算机应该做什么,但不指定具体要怎么做。SQL 语句就是最明显的一种声明式编程的例子,
SELECT * FROM collection WHERE num > 5
,其实就是表达式结果。它不需要创建变量用来存储数据,它也不包含循环控制的代码如 for, while - 函数式编程:函数式编程和声明式编程是有所关联的,因为他们思想是一致的:即只关注做什么而不是怎么做。但函数式编程不仅仅局限于声明式编程。
函数式编程的本质就是:函数式编程中的函数不是指计算机中的函数,而是指数学中的函数,即自变量的映射。函数的值取决于函数的参数的值,不依赖于其他状态,比如abs(x)函数计算x的绝对值,只要x不变,无论何时调用、调用次数,最终的值都是一样
函数式编程特点
函数式编程有两个特点:函数是第一等公民,函数是纯函数
- 函数是第一等公民:是指函数跟其它的数据类型一样处于平等地位,可以赋值给其他变量,可以作为参数传入另一个函数,也可以作为别的函数的返回值
// 赋值 var func1 = function func1() { } // 函数作为参数 function func2(fn) { fn() } // 函数作为返回值 function func3() { return function() {} }
- 函数是纯函数:纯函数是指相同的输入总会得到相同的输出,并且不会产生副作用的函数。纯函数的两个特点:相同的输入必有同输出,函数无副作用
这两个特点的示例如下:
// 是纯函数 function sum(x,y){ return x + y } // 输出不确定,不是纯函数 function random(x){ return Math.random() * x } // 有副作用,不是纯函数 function setFontSize(el,fontsize){ el.style.fontsize = fontsize ; } // 输出不确定、有副作用,不是纯函数 let count = 0; function addCount(x){ count+=x; return count; }
函数式编程优劣
综合来理解就是函数式编程,不变、不变、不变,固定的输入产生固定的输出且对外部没有任何影响,那么好处显而易见,所有的操作都是幂等的:
- 更好的管理状态:因为它的宗旨是无状态,或者说更少的状态,能最大化的减少这些未知、优化代码、减少出错情况
- 更简单的复用:固定输入->固定输出,没有其他外部变量影响,并且无副作用。这样代码复用时,完全不需要考虑它的内部实现和外部影响
- 更优雅的组合:往大的说,网页是由各个组件组成的。往小的说,一个函数也可能是由多个小函数组成的。更强的复用性,带来更强大的组合性
- 隐性好处。减少代码量,提高维护性
缺点也就是命令式编程可以发挥作用的:
- 性能差:函数式编程相对于指令式编程,性能绝对是一个短板,因为它往往会对一个方法进行过度包装,从而产生上下文切换的性能开销
- 资源占用:为了实现对象状态的不可变,往往会创建新的对象,因此,它对垃圾回收所产生的压力远远超过其他编程方式
- 递归陷阱:在函数式编程中,为了实现迭代,通常会采用递归操作
大致了解了函数式编程后再来看看Java是如何使用Lambda表达式来应用函数式编程这一理念的。
函数式接口
Lambda的设计者们为了让现有的功能与Lambda表达式良好兼容,考虑了很多方法,于是产生了函数接口这个概念。函数接口指的是只有一个函数的接口,这样的接口可以隐式转换为Lambda表达式。java.lang.Runnable
和java.util.concurrent.Callable
是函数式接口的最佳例子。在实践中,函数式接口非常脆弱:只要某个开发者在该接口中添加一个函数,则该接口就不再是函数式接口进而导致编译失败。为了克服这种代码层面的脆弱性,并显式说明某个接口是函数式接口,Java 8 提供了一个特殊的注解@FunctionalInterface(Java 库中的所有相关接口都已经带有这个注解了),举个简单的函数式接口的定义:
@FunctionalInterface public interface Functional { void method(); }
不过有一点需要注意,默认方法和静态方法不会破坏函数式接口的定义,因此如下的代码是合法的。
@FunctionalInterface public interface FunctionalDefaultMethods { void method(); default void defaultMethod() { } }
常见的函数式接口如下:
java.util.function 它包含了很多类,用来支持 Java的 函数式编程,该包中的函数式接口有:
方法释义如下:
接口的默认方法和静态方法
我们上文说到,函数式接口只能有一个功能函数,但是默认方法和静态方法除外,那么什么是默认方法和静态方法呢?Java 8使用两个新概念扩展了接口的含义:默认方法和静态方法。
接口的默认方法
默认方法使得开发者可以在不破坏二进制兼容性的前提下,往现存接口中添加新的方法**,即不强制那些实现了该接口的类也同时实现这个新加的方法**。
默认方法和抽象方法之间的区别在于抽象方法需要实现,而默认方法不需要。接口提供的默认方法会被接口的实现类继承或者覆写,例子代码如下
private interface Defaulable { // Interfaces now allow default methods, the implementer may or // may not implement (override) them. default String notRequired() { return "Default implementation"; } } private static class DefaultableImpl implements Defaulable { } private static class OverridableImpl implements Defaulable { @Override public String notRequired() { return "Overridden implementation"; } }
Defaulable接口使用关键字default定义了一个默认方法notRequired()。DefaultableImpl类实现了这个接口,同时默认继承了这个接口中的默认方法;OverridableImpl类也实现了这个接口,但覆写了该接口的默认方法,并提供了一个不同的实现
接口的静态方法
Java 8也允许在接口中定义静态方法
private interface DefaulableFactory { // Interfaces now allow static methods static Defaulable create( Supplier< Defaulable > supplier ) { return supplier.get(); } }
默认方法和静态方法应用
下面的代码片段整合了默认方法和静态方法的使用场景:
public static void main( String[] args ) { Defaulable defaulable = DefaulableFactory.create( DefaultableImpl::new ); System.out.println( defaulable.notRequired() ); defaulable = DefaulableFactory.create( OverridableImpl::new ); System.out.println( defaulable.notRequired() ); }
输出结果如下:
Default implementation Overridden implementation
由于JVM上的默认方法的实现在字节码层面提供了支持,因此效率非常高。默认方法允许在不打破现有继承体系的基础上改进接口。该特性在官方库中的应用是:给java.util.Collection接口添加新方法,如stream()、parallelStream()、forEach()
和removeIf()
等等
Lambda表达式
Lambda 表达式,也可称为闭包,它是推动 Java 8 发布的最重要新特性,Lambda 允许把函数作为一个方法的参数(函数作为参数传递进方法中),使用 Lambda 表达式可以使代码变的更加简洁紧凑
解决问题
核心解决的问题就是:让程序员使用更少的代码实现同样的功能。虽然看着很先进,其实Lambda表达式的本质只是一个语法糖,由编译器推断并帮你转换包装为常规的代码,因此你可以使用更少的代码来实现同样的功能
语法范式
lambda表达式允许通过表达式来代替功能接口。lambda表达式就和方法一样,它提供了一个正常的参数列表和一个使用这些参数的主体【body可以是一个表达式或一个代码块】
左侧:Lambda表达式的参数列表 -> 右侧:Lambda表达式中要执行的功能
右侧实现可以是表达式,也可以是代码块
(parameters) -> expression 或 (parameters) ->{ statements; }
对于左侧的参数列表而言:
- 可选参数个数:参数可以没有,也可以只有一个或多个。
- 可选参数类型声明:不需要声明参数类型,编译器可以统一识别参数值
- 可选参数圆括号:一个参数无需定义圆括号,但多个参数需要定义圆括号
对于右侧功能实现来说
- 可选返回主体:如果返回主体是表达式,那么编译器自动返回表达式值,如果主体是单行语句,那么返回类型可以看做void,如果主体是代码块,需要用return关键字指定返回值
- 可选返回关键字:如上所述,如果主体是代码块,需要用return关键字指定返回值
- 可选大括号:如果主体只包含单行语句(表达式),就不需要使用大括号,如果主体是多行代码块,需要使用大括号
对于右侧功能,总结而言:单行语句或表达式,可以省略return关键字和{}
,几个简单的例子:
// 1. 不需要参数,返回值为 5 () -> 5 // 2. 接收一个参数(数字类型),返回其2倍的值 x -> 2 * x // 3. 接受2个参数(数字),并返回他们的差值 (x, y) -> x – y // 4. 接收2个int型整数,返回他们的和 (int x, int y) -> x + y // 5. 接受一个 string 对象,并在控制台打印,不返回任何值(看起来像是返回void) (String s) -> System.out.print(s)
实践操作
既然一个新的事物出现,一定有其原因,也就是之前一定有痛点,那么新事物才有价值,这里只列举当前我看到的Lambda解决的问题
1 快速处理集合
我们一般在一些集合操作时使用Lambda表达式,没有lambda之前:
public static void main(String[] args) { List<String> list = Arrays.asList("t", "m", "l"); for (String s : list) { System.out.println(s); } }
有了lambda之后,只需要一行代码,将参数和功能组合成一个入参。
Arrays.asList( "t", "m", "l" ).forEach(e -> System.out.println( e ) );
为什么这里可以使用lambda呢,因为这里的forEach的入参是一个功能接口:
default void forEach(Consumer<? super T> action) { Objects.requireNonNull(action); for (T t : this) { action.accept(t); } }
再进去一步:
package java.util.function; import java.util.Objects; /** * Represents an operation that accepts a single input argument and returns no * result. Unlike most other functional interfaces, {@code Consumer} is expected * to operate via side-effects. * * <p>This is a <a href="package-summary.html">functional interface</a> * whose functional method is {@link #accept(Object)}. * * @param <T> the type of the input to the operation * * @since 1.8 */ @FunctionalInterface public interface Consumer<T> { /** * Performs this operation on the given argument. * * @param t the input argument */ void accept(T t); /** * Returns a composed {@code Consumer} that performs, in sequence, this * operation followed by the {@code after} operation. If performing either * operation throws an exception, it is relayed to the caller of the * composed operation. If performing this operation throws an exception, * the {@code after} operation will not be performed. * * @param after the operation to perform after this operation * @return a composed {@code Consumer} that performs in sequence this * operation followed by the {@code after} operation * @throws NullPointerException if {@code after} is null */ default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) { Objects.requireNonNull(after); return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); }; } }
如同上面说的理论能力,上面这个代码中的参数e的类型是由编译器推理得出的,e也可以自定义类型:
Arrays.asList( "t", "m", "l" ).forEach( ( String e ) -> System.out.println( e ) );
如果Lambda表达式需要更复杂的语句块,则可以使用花括号将该语句块括起来,类似于Java中的函数体:
public static void main(String[] args) { Arrays.asList("t", "m", "l").forEach((String e) -> { String a = e + "帅"; System.out.println(a); } ); }
2 取代匿名内部类
关于内部类可以看我的这篇Blog【Java SE基础 九】Java内部类,所谓匿名内部类就是:匿名内部类是直接使用 new 来生成一个对象的引用,匿名内部类没有类的名称,很多场景下可以简化我们代码,但是Lambda出现后告诉我们可以更简化:它只聚焦于核心实现:
public class Demo01Inner { public static void main(String[] args) { //使用匿名内部类的方式实现多线程。 new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行了"); } }).start(); //使用Lambda表达式实现多线程 new Thread(() -> System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行了")).start(); } }
同样为什么这里可以使用lambda呢:
public Thread(Runnable target) { init(null, target, "Thread-" + nextThreadNum(), 0); }
再进去一步:
package java.lang; /** * The <code>Runnable</code> interface should be implemented by any * class whose instances are intended to be executed by a thread. The * class must define a method of no arguments called <code>run</code>. * <p> * This interface is designed to provide a common protocol for objects that * wish to execute code while they are active. For example, * <code>Runnable</code> is implemented by class <code>Thread</code>. * Being active simply means that a thread has been started and has not * yet been stopped. * <p> * In addition, <code>Runnable</code> provides the means for a class to be * active while not subclassing <code>Thread</code>. A class that implements * <code>Runnable</code> can run without subclassing <code>Thread</code> * by instantiating a <code>Thread</code> instance and passing itself in * as the target. In most cases, the <code>Runnable</code> interface should * be used if you are only planning to override the <code>run()</code> * method and no other <code>Thread</code> methods. * This is important because classes should not be subclassed * unless the programmer intends on modifying or enhancing the fundamental * behavior of the class. * * @author Arthur van Hoff * @see java.lang.Thread * @see java.util.concurrent.Callable * @since JDK1.0 */ @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(); }
有了Lambda,不需要再定义接口、不需要new实例、不需要run()的方法声明等,只care核心实现即可。这就是函数式或者声明式编程的魅力,不是万物皆对象的,有些时候实现可以如此简单。
3 匿名方法的使用
只要是接口函数也都可以使用lambda,如果不使用lambda,我们调用参数和比较器来进行排序:
public class Person { // ... LocalDate birthday; public int getAge() { // ... } public LocalDate getBirthday() { return birthday; } public static int compareByAge(Person a, Person b) { return a.birthday.compareTo(b.birthday); } // ... }
假设我们有一个Person数组,并且想对它进行排序,这时候,我们可能会这样写
Person[] rosterAsArray = new Person[]{ new Person("003", LocalDate.of(2021,9,1)), new Person("001", LocalDate.of(2021,2,1)), new Person("002", LocalDate.of(2021,3,1)), new Person("004", LocalDate.of(2021,12,1))}; class PersonAgeComparator implements Comparator<Person> { public int compare(Person a, Person b) { return a.getBirthday().compareTo(b.getBirthday()); } } Arrays.sort(rosterAsArray, new PersonAgeComparator());
其中sort的方法签名为:
static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c)
Comparator接口是一个功能接口:
public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) { if (c == null) { sort(a); } else { if (LegacyMergeSort.userRequested) legacyMergeSort(a, c); else TimSort.sort(a, 0, a.length, c, null, 0, 0); } }
@FunctionalInterface public interface Comparator<T> { int compare(T o1, T o2); boolean equals(Object obj);//equals是Object中的方法,这种对Object类的方法的重新声明会让方法不再是抽象的 ... }
因此可以使用 lambda 表达式,而不是定义然后创建一个实现以下内容的类的新实例ComparatorComparator
Arrays.sort(rosterAsArray, (Person a, Person b) -> { return a.getBirthday().compareTo(b.getBirthday()); } );
这种比较两个实例的出生日期的方法我们可以在Person中定义,并且已经有了,所以上述写法还可以再简化:
Arrays.sort(rosterAsArray, (a, b) -> Person.compareByAge(a, b) );
总结一下
总而言之,通过写这篇博客刷新了一些关于函数式编程模式的一些认知,最深刻的感受就是我们可能太OOP了,有时候感觉没有对象就什么也干不成了,做一些逻辑实现时总要定义一些冗余的类,接口,其实有些时候只需要关注最核心的实现可以减少大量的代码编写,忘记实例创建、忘记方法声明、忘记new吧,只关注核心实现!当然这也不是说别OOP了,其实无论是命令式编程还是函数式编程都有其具体的应用场景,Java这样的OOP语言也不会把函数式编程模式完全隔绝出去,这才引入了Lambda。所以一切不以应用场景为前提的优劣比较都是耍流氓