第十三章 函数式编程#

函数式编程语言操纵代码片段就像操作数据一样容易。 虽然 Java 不是函数式语言,但 Java 8 Lambda 表达式和方法引用 (Method References) 允许你以函数式编程。

在计算机时代早期,内存是稀缺和昂贵的。几乎每个人都用汇编语言编程。人们虽然知道编译器,但编译器生成的代码很低效,比手工编码的汇编程序多很多字节,仅仅想到这一点,人们还是选择汇编语言。

通常,为了使程序能在有限的内存上运行,在程序运行时,程序员通过修改内存中的代码,使程序可以执行不同的操作,用这种方式来节省代码空间。这种技术被称为自修改代码 (self-modifying code)。只要程序小到几个人就能够维护所有棘手和难懂的汇编代码,你就能让程序运行起来。

随着内存和处理器变得更便宜、更快。C 语言出现并被大多数汇编程序员认为更“高级”。人们发现使用 C 可以显著提高生产力。同时,使用 C 创建自修改代码仍然不难。

随着硬件越来越便宜,程序的规模和复杂性都在增长。这一切只是让程序工作变得困难。我们想方设法使代码更加一致和易懂。使用纯粹的自修改代码造成的结果就是:我们很难确定程序在做什么。它也难以测试:除非你想一点点测试输出,代码转换和修改等等过程?

然而,使用代码以某种方式操纵其他代码的想法也很有趣,只要能保证它更安全。从代码创建,维护和可靠性的角度来看,这个想法非常吸引人。我们不用从头开始编写大量代码,而是从易于理解、充分测试及可靠的现有小块开始,最后将它们组合在一起以创建新代码。难道这不会让我们更有效率,同时创造更健壮的代码吗?

这就是函数式编程(FP)的意义所在。通过合并现有代码来生成新功能而不是从头开始编写所有内容,我们可以更快地获得更可靠的代码。至少在某些情况下,这套理论似乎很有用。在这一过程中,函数式语言已经产生了优雅的语法,这些语法对于非函数式语言也适用。

你也可以这样想:

OO(object oriented,面向对象)是抽象数据,FP(functional programming,函数式编程)是抽象行为。

纯粹的函数式语言在安全性方面更进一步。它强加了额外的约束,即所有数据必须是不可变的:设置一次,永不改变。将值传递给函数,该函数然后生成新值但从不修改自身外部的任何东西(包括其参数或该函数范围之外的元素)。当强制执行此操作时,你知道任何错误都不是由所谓的副作用引起的,因为该函数仅创建并返回结果,而不是其他任何错误。

更好的是,“不可变对象和无副作用”范式解决了并发编程中最基本和最棘手的问题之一(当程序的某些部分同时在多个处理器上运行时)。这是可变共享状态的问题,这意味着代码的不同部分(在不同的处理器上运行)可以尝试同时修改同一块内存(谁赢了?没人知道)。如果函数永远不会修改现有值但只生成新值,则不会对内存产生争用,这是纯函数式语言的定义。 因此,经常提出纯函数式语言作为并行编程的解决方案(还有其他可行的解决方案)。

需要提醒大家的是,函数式语言背后有很多动机,这意味着描述它们可能会有些混淆。它通常取决于各种观点:为“并行编程”,“代码可靠性”和“代码创建和库复用”。1 关于函数式编程能高效创建更健壮的代码这一观点仍存在部分争议。虽然已有一些好的范例2,但还不足以证明纯函数式语言就是解决编程问题的最佳方法。

FP 思想值得融入非 FP 语言,如 Python。Java 8 也从中吸收并支持了 FP。我们将在此章探讨。

新旧对比#

通常,传递给方法的数据不同,结果不同。如果我们希望方法在调用时行为不同,该怎么做呢?结论是:只要能将代码传递给方法,我们就可以控制它的行为。此前,我们通过在方法中创建包含所需行为的对象,然后将该对象传递给我们想要控制的方法来完成此操作。下面我们用传统形式和 Java 8 的方法引用、Lambda 表达式分别演示。代码示例:

// functional/Strategize.java

interface Strategy {
  String approach(String msg);
}

class Soft implements Strategy {
  public String approach(String msg) {
    return msg.toLowerCase() + "?";
  }
}

class Unrelated {
  static String twice(String msg) {
    return msg + " " + msg;
  }
}

public class Strategize {
  Strategy strategy;
  String msg;
  Strategize(String msg) {
    strategy = new Soft(); // [1]
    this.msg = msg;
  }

  void communicate() {
    System.out.println(strategy.approach(msg));
  }

  void changeStrategy(Strategy strategy) {
    this.strategy = strategy;
  }

  public static void main(String[] args) {
    Strategy[] strategies = {
      new Strategy() { // [2]
        public String approach(String msg) {
          return msg.toUpperCase() + "!";
        }
      },
      msg -> msg.substring(0, 5), // [3]
      Unrelated::twice // [4]
    };
    Strategize s = new Strategize("Hello there");
    s.communicate();
    for(Strategy newStrategy : strategies) {
      s.changeStrategy(newStrategy); // [5]
      s.communicate(); // [6]
    }
  }
}

输出结果:

hello there?
HELLO THERE!
Hello
Hello there Hello there

Strategy 接口提供了单一的 approach() 方法来承载函数式功能。通过创建不同的 Strategy 对象,我们可以创建不同的行为。

我们一般通过创建一个实现Strategy接口的类来实现这种行为,正如在Soft里所做的。

  • [1]Strategize 中,你可以看到 Soft 作为默认策略,在构造函数中赋值。

  • [2] 一种较为简洁且更加自然的方法是创建一个匿名内部类。即便如此,仍有相当数量的冗余代码。你总需要仔细观察后才会发现:“哦,我明白了,原来这里使用了匿名内部类。”

  • [3] Java 8 的 Lambda 表达式,其参数和函数体被箭头 -> 分隔开。箭头右侧是从 Lambda 返回的表达式。它与单独定义类和采用匿名内部类是等价的,但代码少得多。

  • [4] Java 8 的方法引用,它以 :: 为特征。 :: 的左边是类或对象的名称, :: 的右边是方法的名称,但是没有参数列表。

  • [5] 在使用默认的 Soft 策略之后,我们逐步遍历数组中的所有 Strategy,并通过调用 changeStrategy() 方法将每个 Strategy 传入变量 s 中。

  • [6] 现在,每次调用 communicate() 都会产生不同的行为,具体取决于此刻正在使用的策略代码对象。我们传递的是行为,而并不仅仅是数据。3

在 Java 8 之前,我们能够通过 [1][2] 的方式传递功能。然而,这种语法的读写非常笨拙,并且我们别无选择。方法引用和 Lambda 表达式的出现让我们可以在需要时传递功能,而不是仅在必要时才这么做。

Lambda表达式#

Lambda 表达式是使用最小可能语法编写的函数定义:

  1. Lambda 表达式产生函数,而不是类。 在 JVM(Java Virtual Machine,Java 虚拟机)上,一切都是一个类,因此在幕后执行各种操作使 Lambda 看起来像函数 —— 但作为程序员,你可以高兴地假装它们“只是函数”。

  2. Lambda 语法尽可能少,这正是为了使 Lambda 易于编写和使用。

我们在 Strategize.java 中看到了一个 Lambda 表达式,但还有其他语法变体:

// functional/LambdaExpressions.java

interface Description {
  String brief();
}

interface Body {
  String detailed(String head);
}

interface Multi {
  String twoArg(String head, Double d);
}

public class LambdaExpressions {

  static Body bod = h -> h + " No Parens!"; // [1]

  static Body bod2 = (h) -> h + " More details"; // [2]

  static Description desc = () -> "Short info"; // [3]

  static Multi mult = (h, n) -> h + n; // [4]

  static Description moreLines = () -> { // [5]
    System.out.println("moreLines()");
    return "from moreLines()";
  };

  public static void main(String[] args) {
    System.out.println(bod.detailed("Oh!"));
    System.out.println(bod2.detailed("Hi!"));
    System.out.println(desc.brief());
    System.out.println(mult.twoArg("Pi! ", 3.14159));
    System.out.println(moreLines.brief());
  }
}

输出结果:

Oh! No Parens!
Hi! More details
Short info
Pi! 3.14159
moreLines()
from moreLines()

我们从三个接口开始,每个接口都有一个单独的方法(很快就会理解它的重要性)。但是,每个方法都有不同数量的参数,以便演示 Lambda 表达式语法。

任何 Lambda 表达式的基本语法是:

  1. 参数。

  2. 接着 ->,可视为“产出”。

  3. -> 之后的内容都是方法体。

  4. [1] 当只用一个参数,可以不需要括号 ()。 然而,这是一个特例。

  5. [2] 正常情况使用括号 () 包裹参数。 为了保持一致性,也可以使用括号 () 包裹单个参数,虽然这种情况并不常见。

  6. [3] 如果没有参数,则必须使用括号 () 表示空参数列表。

  7. [4] 对于多个参数,将参数列表放在括号 () 中。

到目前为止,所有 Lambda 表达式方法体都是单行。 该表达式的结果自动成为 Lambda 表达式的返回值,在此处使用 return 关键字是非法的。 这是 Lambda 表达式简化相应语法的另一种方式。

[5] 如果在 Lambda 表达式中确实需要多行,则必须将这些行放在花括号中。 在这种情况下,就需要使用 return

Lambda 表达式通常比匿名内部类产生更易读的代码,因此我们将在本书中尽可能使用它们。

递归#

递归函数是一个自我调用的函数。可以编写递归的 Lambda 表达式,但需要注意:递归方法必须是实例变量或静态变量,否则会出现编译时错误。 我们将为每个案例创建一个示例。

这两个示例都需要一个接受 int 型参数并生成 int 的接口:

// functional/IntCall.java

interface IntCall {
  int call(int arg);
}

整数 n 的阶乘将所有小于或等于 n 的正整数相乘。 阶乘函数是一个常见的递归示例:

// functional/RecursiveFactorial.java

public class RecursiveFactorial {
  static IntCall fact;
  public static void main(String[] args) {
    fact = n -> n == 0 ? 1 : n * fact.call(n - 1);
    for(int i = 0; i <= 10; i++)
      System.out.println(fact.call(i));
  }
}

输出结果:

1
1
2
6
24
120
720
5040
40320
362880
3628800

这里,fact 是一个静态变量。 注意使用三元 if-else。 递归函数将一直调用自己,直到 i == 0。所有递归函数都有“停止条件”,否则将无限递归并产生异常。

我们可以将 Fibonacci 序列用递归的 Lambda 表达式来实现,这次使用实例变量:

// functional/RecursiveFibonacci.java

public class RecursiveFibonacci {
  IntCall fib;

  RecursiveFibonacci() {
    fib = n -> n == 0 ? 0 :
               n == 1 ? 1 :
               fib.call(n - 1) + fib.call(n - 2);
  }

  int fibonacci(int n) { return fib.call(n); }

  public static void main(String[] args) {
    RecursiveFibonacci rf = new RecursiveFibonacci();
    for(int i = 0; i <= 10; i++)
      System.out.println(rf.fibonacci(i));
  }
}

输出结果:

0
1
1
2
3
5
8
13
21
34
55

Fibonacci 序列中的最后两个元素求和来产生下一个元素。

方法引用#

Java 8 方法引用没有历史包袱。方法引用组成:类名或对象名,后面跟 :: 4,然后跟方法名称。

// functional/MethodReferences.java

import java.util.*;

interface Callable { // [1]
  void call(String s);
}

class Describe {
  void show(String msg) { // [2]
    System.out.println(msg);
  }
}

public class MethodReferences {
  static void hello(String name) { // [3]
    System.out.println("Hello, " + name);
  }
  static class Description {
    String about;
    Description(String desc) { about = desc; }
    void help(String msg) { // [4]
      System.out.println(about + " " + msg);
    }
  }
  static class Helper {
    static void assist(String msg) { // [5]
      System.out.println(msg);
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    Describe d = new Describe();
    Callable c = d::show; // [6]
    c.call("call()"); // [7]

    c = MethodReferences::hello; // [8]
    c.call("Bob");

    c = new Description("valuable")::help; // [9]
    c.call("information");

    c = Helper::assist; // [10]
    c.call("Help!");
  }
}

输出结果:

call()
Hello, Bob
valuable information
Help!

[1] 我们从单一方法接口开始(同样,你很快就会了解到这一点的重要性)。

[2] show() 的签名(参数类型和返回类型)符合 Callablecall() 的签名。

[3] hello() 也符合 call() 的签名。

[4] help() 也符合,它是静态内部类中的非静态方法。

[5] assist() 是静态内部类中的静态方法。

[6] 我们将 Describe 对象的方法引用赋值给 Callable ,它没有 show() 方法,而是 call() 方法。 但是,Java 似乎接受用这个看似奇怪的赋值,因为方法引用符合 Callablecall() 方法的签名。

[7] 我们现在可以通过调用 call() 来调用 show(),因为 Java 将 call() 映射到 show()

[8] 这是一个静态方法引用。

[9] 这是 [6] 的另一个版本:对已实例化对象的方法的引用,有时称为绑定方法引用

[10] 最后,获取静态内部类中静态方法的引用与 [8] 中通过外部类引用相似。

上例只是简短的介绍,我们很快就能看到方法引用的所有不同形式。

Runnable接口#

Runnable 接口自 1.0 版以来一直在 Java 中,因此不需要导入。它也符合特殊的单方法接口格式:它的方法 run() 不带参数,也没有返回值。因此,我们可以使用 Lambda 表达式和方法引用作为 Runnable

// functional/RunnableMethodReference.java

// 方法引用与 Runnable 接口的结合使用

class Go {
  static void go() {
    System.out.println("Go::go()");
  }
}

public class RunnableMethodReference {
  public static void main(String[] args) {

    new Thread(new Runnable() {
      public void run() {
        System.out.println("Anonymous");
      }
    }).start();

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

    new Thread(Go::go).start();
  }
}

输出结果:

Anonymous
lambda
Go::go()

Thread 对象将 Runnable 作为其构造函数参数,并具有会调用 run() 的方法 start()注意,只有匿名内部类才需要具有名为 run() 的方法。

未绑定的方法引用#

未绑定的方法引用是指没有关联对象的普通(非静态)方法。 使用未绑定的引用时,我们必须先提供对象:

// functional/UnboundMethodReference.java

// 没有方法引用的对象

class X {
  String f() { return "X::f()"; }
}

interface MakeString {
  String make();
}

interface TransformX {
  String transform(X x);
}

public class UnboundMethodReference {
  public static void main(String[] args) {
    // MakeString ms = X::f; // [1]
    TransformX sp = X::f;
    X x = new X();
    System.out.println(sp.transform(x)); // [2]
    System.out.println(x.f()); // 同等效果
  }
}

输出结果:

X::f()
X::f()

截止目前,我们看到了与对应接口签名相同的方法引用。 在 [1],我们尝试把 Xf() 方法引用赋值给 MakeString。结果即使 make()f() 具有相同的签名,编译也会报“invalid method reference”(无效方法引用)错误。 这是因为实际上还有另一个隐藏的参数:我们的老朋友 this。 你不能在没有 X 对象的前提下调用 f()。 因此,X :: f 表示未绑定的方法引用,因为它尚未“绑定”到对象。

要解决这个问题,我们需要一个 X 对象,所以我们的接口实际上需要一个额外的参数,如上例中的 TransformX。 如果将 X :: f 赋值给 TransformX,在 Java 中是允许的。我们必须做第二个心理调整——使用未绑定的引用时,函数式方法的签名(接口中的单个方法)不再与方法引用的签名完全匹配。 原因是:你需要一个对象来调用方法。

[2] 的结果有点像脑筋急转弯。我拿到未绑定的方法引用,并且调用它的transform()方法,将一个X类的对象传递给它,最后使得 x.f() 以某种方式被调用。Java知道它必须拿到第一个参数,该参数实际就是this,然后调用方法作用在它之上。

如果你的方法有更多个参数,就以第一个参数接受this的模式来处理。

// functional/MultiUnbound.java

// 未绑定的方法与多参数的结合运用

class This {
  void two(int i, double d) {}
  void three(int i, double d, String s) {}
  void four(int i, double d, String s, char c) {}
}

interface TwoArgs {
  void call2(This athis, int i, double d);
}

interface ThreeArgs {
  void call3(This athis, int i, double d, String s);
}

interface FourArgs {
  void call4(
    This athis, int i, double d, String s, char c);
}

public class MultiUnbound {
  public static void main(String[] args) {
    TwoArgs twoargs = This::two;
    ThreeArgs threeargs = This::three;
    FourArgs fourargs = This::four;
    This athis = new This();
    twoargs.call2(athis, 11, 3.14);
    threeargs.call3(athis, 11, 3.14, "Three");
    fourargs.call4(athis, 11, 3.14, "Four", 'Z');
  }
}

需要指出的是,我将类命名为 This,并将函数式方法的第一个参数命名为 athis,但你在生产级代码中应该使用其他名字,以防止混淆。

构造函数引用#

你还可以捕获构造函数的引用,然后通过引用调用该构造函数。

// functional/CtorReference.java

class Dog {
  String name;
  int age = -1; // For "unknown"
  Dog() { name = "stray"; }
  Dog(String nm) { name = nm; }
  Dog(String nm, int yrs) { name = nm; age = yrs; }
}

interface MakeNoArgs {
  Dog make();
}

interface Make1Arg {
  Dog make(String nm);
}

interface Make2Args {
  Dog make(String nm, int age);
}

public class CtorReference {
  public static void main(String[] args) {
    MakeNoArgs mna = Dog::new; // [1]
    Make1Arg m1a = Dog::new;   // [2]
    Make2Args m2a = Dog::new;  // [3]

    Dog dn = mna.make();
    Dog d1 = m1a.make("Comet");
    Dog d2 = m2a.make("Ralph", 4);
  }
}

Dog 有三个构造函数,函数式接口内的 make() 方法反映了构造函数参数列表( make() 方法名称可以不同)。

注意我们如何对 [1][2][3] 中的每一个使用 Dog :: new。 这三个构造函数只有一个相同名称::: new,但在每种情况下赋值给不同的接口,编译器可以从中知道具体使用哪个构造函数。

编译器知道调用函数式方法(本例中为 make())就相当于调用构造函数。

函数式接口#

方法引用和 Lambda 表达式都必须被赋值,同时赋值需要类型信息才能使编译器保证类型的正确性。尤其是Lambda 表达式,它引入了新的要求。 代码示例:

x -> x.toString()

我们清楚这里返回类型必须是 String,但 x 是什么类型呢?

Lambda 表达式包含类型推导(编译器会自动推导出类型信息,避免了程序员显式地声明)。编译器必须能够以某种方式推导出 x 的类型。

下面是第二个代码示例:

(x, y) -> x + y

现在 xy 可以是任何支持 + 运算符连接的数据类型,可以是两个不同的数值类型或者是 一个 String 加任意一种可自动转换为 String 的数据类型(这包括了大多数类型)。 但是,当 Lambda 表达式被赋值时,编译器必须确定 xy 的确切类型以生成正确的代码。

该问题也适用于方法引用。 假设你要传递 System.out :: println 到你正在编写的方法 ,你怎么知道传递给方法的参数的类型?

为了解决这个问题,Java 8 引入了 java.util.function 包。它包含一组接口,这些接口是 Lambda 表达式和方法引用的目标类型。 每个接口只包含一个抽象方法,称为函数式方法。

在编写接口时,可以使用 @FunctionalInterface 注解强制执行此“函数式方法”模式:

// functional/FunctionalAnnotation.java

@FunctionalInterface
interface Functional {
  String goodbye(String arg);
}

interface FunctionalNoAnn {
  String goodbye(String arg);
}

/*
@FunctionalInterface
interface NotFunctional {
  String goodbye(String arg);
  String hello(String arg);
}
产生错误信息:
NotFunctional is not a functional interface
multiple non-overriding abstract methods
found in interface NotFunctional
*/

public class FunctionalAnnotation {
  public String goodbye(String arg) {
    return "Goodbye, " + arg;
  }
  public static void main(String[] args) {
    FunctionalAnnotation fa =
      new FunctionalAnnotation();
    Functional f = fa::goodbye;
    FunctionalNoAnn fna = fa::goodbye;
    // Functional fac = fa; // Incompatible
    Functional fl = a -> "Goodbye, " + a;
    FunctionalNoAnn fnal = a -> "Goodbye, " + a;
  }
}

@FunctionalInterface 注解是可选的; Java 在 main() 中把 FunctionalFunctionalNoAnn 都当作函数式接口。 在 NotFunctional 的定义中可看到@FunctionalInterface 的作用:接口中如果有多个抽象方法则会产生编译期错误。

仔细观察在定义 ffna 时发生了什么。 FunctionalFunctionalNoAnn 定义接口,然而被赋值的只是方法 goodbye()。首先,这只是一个方法而不是类;其次,它甚至都不是实现了该接口的类中的方法。这是添加到Java 8中的一点小魔法:如果将方法引用或 Lambda 表达式赋值给函数式接口(类型需要匹配),Java 会适配你的赋值到目标接口。 编译器会在后台把方法引用或 Lambda 表达式包装进实现目标接口的类的实例中。

尽管 FunctionalAnnotation 确实适合 Functional 模型,但 Java不允许我们像fac定义中的那样,将 FunctionalAnnotation 直接赋值给 Functional,因为 FunctionalAnnotation 并没有显式地去实现 Functional 接口。唯一的惊喜是,Java 8 允许我们将函数赋值给接口,这样的语法更加简单漂亮。

java.util.function 包旨在创建一组完整的目标接口,使得我们一般情况下不需再定义自己的接口。主要因为基本类型的存在,导致预定义的接口数量有少许增加。 如果你了解命名模式,顾名思义就能知道特定接口的作用。

以下是基本命名准则:

  1. 如果只处理对象而非基本类型,名称则为 FunctionConsumerPredicate 等。参数类型通过泛型添加。

  2. 如果接收的参数是基本类型,则由名称的第一部分表示,如 LongConsumerDoubleFunctionIntPredicate 等,但返回基本类型的 Supplier 接口例外。

  3. 如果返回值为基本类型,则用 To 表示,如 ToLongFunction <T>IntToLongFunction

  4. 如果返回值类型与参数类型一致,则是一个运算符:单个参数使用 UnaryOperator,两个参数使用 BinaryOperator

  5. 如果接收两个参数且返回值为布尔值,则是一个谓词(Predicate)。

  6. 如果接收的两个参数类型不同,则名称中有一个 Bi

下表描述了 java.util.function 中的目标类型(包括例外情况):

特征 函数式方法名 示例
无参数;
无返回值
Runnable
(java.lang)
run()
Runnable
无参数;
返回类型任意
Supplier
get()
getAs类型()
Supplier<T>
BooleanSupplier
IntSupplier
LongSupplier
DoubleSupplier
无参数;
返回类型任意
Callable
(java.util.concurrent)
call()
Callable<V>
1 参数;
无返回值
Consumer
accept()
Consumer<T>
IntConsumer
LongConsumer
DoubleConsumer
2 参数 Consumer BiConsumer
accept()
BiConsumer<T,U>
2 参数 Consumer
1 引用;
1 基本类型
Obj类型Consumer
accept()
ObjIntConsumer<T>
ObjLongConsumer<T>
ObjDoubleConsumer<T>
1 参数;
返回类型不同
Function
apply()
To类型类型To类型
applyAs类型()
Function<T,R>
IntFunction<R>
LongFunction<R>
DoubleFunction<R>
ToIntFunction<T>
ToLongFunction<T>
ToDoubleFunction<T>
IntToLongFunction
IntToDoubleFunction
LongToIntFunction
LongToDoubleFunction
DoubleToIntFunction
DoubleToLongFunction
1 参数;
返回类型相同
UnaryOperator
apply()
UnaryOperator<T>
IntUnaryOperator
LongUnaryOperator
DoubleUnaryOperator
2 参数类型相同;
返回类型相同
BinaryOperator
apply()
BinaryOperator<T>
IntBinaryOperator
LongBinaryOperator
DoubleBinaryOperator
2 参数类型相同;
返回整型
Comparator
(java.util)
compare()
Comparator<T>
2 参数;
返回布尔型
Predicate
test()
Predicate<T>
BiPredicate<T,U>
IntPredicate
LongPredicate
DoublePredicate
参数基本类型;
返回基本类型
类型To类型Function
applyAs类型()
IntToLongFunction
IntToDoubleFunction
LongToIntFunction
LongToDoubleFunction
DoubleToIntFunction
DoubleToLongFunction
2 参数类型不同 Bi操作
(不同方法名)
BiFunction<T,U,R>
BiConsumer<T,U>
BiPredicate<T,U>
ToIntBiFunction<T,U>
ToLongBiFunction<T,U>
ToDoubleBiFunction<T>

此表仅提供些常规方案。通过上表,你应该或多或少能自行推导出你所需要的函数式接口。

可以看出,在创建 java.util.function 时,设计者们做出了一些选择。

例如,为什么没有 IntComparatorLongComparatorDoubleComparator 呢?有 BooleanSupplier 却没有其他表示 Boolean 的接口;有通用的 BiConsumer 却没有用于 intlongdoubleBiConsumers 变体(我理解他们为什么放弃这些接口)。这到底是疏忽还是有人认为其他组合使用得很少呢(他们是如何得出这个结论的)?

你还可以看到基本类型给 Java 添加了多少复杂性。基于效率方面的考虑(问题之后有所缓解),该语言的第一版中就包含了基本类型。现在,在语言的生命周期中,我们仍然会受到语言设计选择不佳的影响。

下面枚举了基于 Lambda 表达式的所有不同 Function 变体的示例:

// functional/FunctionVariants.java

import java.util.function.*;

class Foo {}

class Bar {
  Foo f;
  Bar(Foo f) { this.f = f; }
}

class IBaz {
  int i;
  IBaz(int i) {
    this.i = i;
  }
}

class LBaz {
  long l;
  LBaz(long l) {
    this.l = l;
  }
}

class DBaz {
  double d;
  DBaz(double d) {
    this.d = d;
  }
}

public class FunctionVariants {
  static Function<Foo,Bar> f1 = f -> new Bar(f);
  static IntFunction<IBaz> f2 = i -> new IBaz(i);
  static LongFunction<LBaz> f3 = l -> new LBaz(l);
  static DoubleFunction<DBaz> f4 = d -> new DBaz(d);
  static ToIntFunction<IBaz> f5 = ib -> ib.i;
  static ToLongFunction<LBaz> f6 = lb -> lb.l;
  static ToDoubleFunction<DBaz> f7 = db -> db.d;
  static IntToLongFunction f8 = i -> i;
  static IntToDoubleFunction f9 = i -> i;
  static LongToIntFunction f10 = l -> (int)l;
  static LongToDoubleFunction f11 = l -> l;
  static DoubleToIntFunction f12 = d -> (int)d;
  static DoubleToLongFunction f13 = d -> (long)d;

  public static void main(String[] args) {
    Bar b = f1.apply(new Foo());
    IBaz ib = f2.apply(11);
    LBaz lb = f3.apply(11);
    DBaz db = f4.apply(11);
    int i = f5.applyAsInt(ib);
    long l = f6.applyAsLong(lb);
    double d = f7.applyAsDouble(db);
    l = f8.applyAsLong(12);
    d = f9.applyAsDouble(12);
    i = f10.applyAsInt(12);
    d = f11.applyAsDouble(12);
    i = f12.applyAsInt(13.0);
    l = f13.applyAsLong(13.0);
  }
}

这些 Lambda 表达式尝试生成适合函数签名的最简代码。 在某些情况下,有必要进行强制类型转换,否则编译器会报截断错误。

主方法中的每个测试都显示了 Function 接口中不同类型的 apply() 方法。 每个都产生一个与其关联的 Lambda 表达式的调用。

方法引用有自己的小魔法:

/ functional/MethodConversion.java

import java.util.function.*;

class In1 {}
class In2 {}

public class MethodConversion {
  static void accept(In1 i1, In2 i2) {
    System.out.println("accept()");
  }
  static void someOtherName(In1 i1, In2 i2) {
    System.out.println("someOtherName()");
  }
  public static void main(String[] args) {
    BiConsumer<In1,In2> bic;

    bic = MethodConversion::accept;
    bic.accept(new In1(), new In2());

    bic = MethodConversion::someOtherName;
    // bic.someOtherName(new In1(), new In2()); // Nope
    bic.accept(new In1(), new In2());
  }
}

输出结果:

accept()
someOtherName()

查看 BiConsumer 的文档,你会看到 accept() 方法。 实际上,如果我们将方法命名为 accept(),它就可以作为方法引用。 但是我们也可用不同的名称,比如 someOtherName()。只要参数类型、返回类型与 BiConsumeraccept() 相同即可。

因此,在使用函数接口时,名称无关紧要——只要参数类型和返回类型相同。 Java 会将你的方法映射到接口方法。 要调用方法,可以调用接口的函数式方法名(在本例中为 accept()),而不是你的方法名。

现在我们来看看,将方法引用应用于基于类的函数式接口(即那些不包含基本类型的函数式接口)。下面的例子中,我创建了适合函数式方法签名的最简单的方法:

// functional/ClassFunctionals.java

import java.util.*;
import java.util.function.*;

class AA {}
class BB {}
class CC {}

public class ClassFunctionals {
  static AA f1() { return new AA(); }
  static int f2(AA aa1, AA aa2) { return 1; }
  static void f3(AA aa) {}
  static void f4(AA aa, BB bb) {}
  static CC f5(AA aa) { return new CC(); }
  static CC f6(AA aa, BB bb) { return new CC(); }
  static boolean f7(AA aa) { return true; }
  static boolean f8(AA aa, BB bb) { return true; }
  static AA f9(AA aa) { return new AA(); }
  static AA f10(AA aa1, AA aa2) { return new AA(); }
  public static void main(String[] args) {
    Supplier<AA> s = ClassFunctionals::f1;
    s.get();
    Comparator<AA> c = ClassFunctionals::f2;
    c.compare(new AA(), new AA());
    Consumer<AA> cons = ClassFunctionals::f3;
    cons.accept(new AA());
    BiConsumer<AA,BB> bicons = ClassFunctionals::f4;
    bicons.accept(new AA(), new BB());
    Function<AA,CC> f = ClassFunctionals::f5;
    CC cc = f.apply(new AA());
    BiFunction<AA,BB,CC> bif = ClassFunctionals::f6;
    cc = bif.apply(new AA(), new BB());
    Predicate<AA> p = ClassFunctionals::f7;
    boolean result = p.test(new AA());
    BiPredicate<AA,BB> bip = ClassFunctionals::f8;
    result = bip.test(new AA(), new BB());
    UnaryOperator<AA> uo = ClassFunctionals::f9;
    AA aa = uo.apply(new AA());
    BinaryOperator<AA> bo = ClassFunctionals::f10;
    aa = bo.apply(new AA(), new AA());
  }
}

注意,每个方法名称都是随意的(如 f1()f2()等)。正如你刚才看到的,一旦将方法引用赋值给函数接口,我们就可以调用与该接口关联的函数方法。 在此示例中为 get()compare()accept()apply()test()

多参数函数式接口#

java.util.functional 中的接口是有限的。比如有 BiFunction,但也仅此而已。 如果需要三参数函数的接口怎么办? 其实这些接口非常简单,很容易查看 Java 库源代码并自行创建。代码示例:

// functional/TriFunction.java

@FunctionalInterface
public interface TriFunction<T, U, V, R> {
    R apply(T t, U u, V v);
}

简单测试,验证它是否有效:

// functional/TriFunctionTest.java

public class TriFunctionTest {
  static int f(int i, long l, double d) { return 99; }
  public static void main(String[] args) {
    TriFunction<Integer, Long, Double, Integer> tf =
      TriFunctionTest::f;
    tf = (i, l, d) -> 12;
  }
}

这里我们同时测试了方法引用和 Lambda 表达式。

缺少基本类型的函数#

让我们重温一下 BiConsumer,看看我们如何创建缺少的针对 intlongdouble 的各种排列:

// functional/BiConsumerPermutations.java

import java.util.function.*;

public class BiConsumerPermutations {
  static BiConsumer<Integer, Double> bicid = (i, d) ->
    System.out.format("%d, %f%n", i, d);
  static BiConsumer<Double, Integer> bicdi = (d, i) ->
    System.out.format("%d, %f%n", i, d);
  static BiConsumer<Integer, Long> bicil = (i, l) ->
    System.out.format("%d, %d%n", i, l);
  public static void main(String[] args) {
    bicid.accept(47, 11.34);
    bicdi.accept(22.45, 92);
    bicil.accept(1, 11L);
  }
}

输出结果:

47, 11.340000
92, 22.450000
1, 11

这里使用 System.out.format() 来显示。它类似于 System.out.println() 但提供了更多的显示选项。 这里,%f 表示我将 n 作为浮点值给出,%d 表示 n 是一个整数值。 这其中可以包含空格,输入 %n 会换行 — 当然使用传统的 \n 也能换行,但 %n 是自动跨平台的,这是使用 format() 的另一个原因。

上例简单使用了包装类型,装箱和拆箱负责它与基本类型之间的来回转换。 又比如,我们可以将包装类型和Function一起使用,而不去用各种针对基本类型的预定义接口。代码示例:

// functional/FunctionWithWrapped.java

import java.util.function.*;

public class FunctionWithWrapped {
  public static void main(String[] args) {
    Function<Integer, Double> fid = i -> (double)i;
    IntToDoubleFunction fid2 = i -> i;
  }
}

如果没有强制转换,则会收到错误消息:“Integer cannot be converted to Double”(Integer 无法转换为 Double),而使用 IntToDoubleFunction 就没有此类问题。 IntToDoubleFunction 接口的源代码是这样的:

@FunctionalInterface 
public interface IntToDoubleFunction { 
  double applyAsDouble(int value); 
}

因为我们可以简单地写 Function <Integer,Double> 并产生正常的结果,所以用基本类型的唯一原因是可以避免传递参数和返回结果过程中的自动装箱和自动拆箱,进而提升性能。

似乎是考虑到使用频率,某些函数类型并没有预定义。

当然,如果因为缺少针对基本类型的函数式接口造成了性能问题,你可以轻松编写自己的接口( 参考 Java 源代码)——尽管这里出现性能瓶颈的可能性不大。

高阶函数#

这个名字可能听起来令人生畏,但是:高阶函数(Higher-order Function)只是一个消费或产生函数的函数。

我们先来看看如何产生一个函数:

// functional/ProduceFunction.java

import java.util.function.*;

interface
FuncSS extends Function<String, String> {} // [1]

public class ProduceFunction {
  static FuncSS produce() {
    return s -> s.toLowerCase(); // [2]
  }
  public static void main(String[] args) {
    FuncSS f = produce();
    System.out.println(f.apply("YELLING"));
  }
}

输出结果:

yelling

这里,produce() 是高阶函数。

[1] 使用继承,可以轻松地为专用接口创建别名。

[2] 使用 Lambda 表达式,可以轻松地在方法中创建和返回一个函数。

要消费一个函数,消费函数需要在参数列表正确地描述函数类型。代码示例:

// functional/ConsumeFunction.java

import java.util.function.*;

class One {}
class Two {}

public class ConsumeFunction {
  static Two consume(Function<One,Two> onetwo) {
    return onetwo.apply(new One());
  }
  public static void main(String[] args) {
    Two two = consume(one -> new Two());
  }
}

当基于消费函数生成新函数时,事情就变得相当有趣了。代码示例如下:

// functional/TransformFunction.java

import java.util.function.*;

class I {
  @Override
  public String toString() { return "I"; }
}

class O {
  @Override
  public String toString() { return "O"; }
}

public class TransformFunction {
  static Function<I,O> transform(Function<I,O> in) {
    return in.andThen(o -> {
      System.out.println(o);
      return o;
    });
  }
  public static void main(String[] args) {
    Function<I,O> f2 = transform(i -> {
      System.out.println(i);
      return new O();
    });
    O o = f2.apply(new I());
  }
}

输出结果:

I
O

在这里,transform() 生成一个与传入的函数具有相同签名的函数,但是你可以生成任何你想要的类型。

这里使用到了 Function 接口中名为 andThen() 的默认方法,该方法专门用于操作函数。 顾名思义,在调用 in 函数之后调用 andThen()(还有个 compose() 方法,它在 in 函数之前应用新函数)。 要附加一个 andThen() 函数,我们只需将该函数作为参数传递。 transform() 产生的是一个新函数,它将 in 的动作与 andThen() 参数的动作结合起来。

闭包#

在上一节的 ProduceFunction.java 中,我们从方法中返回 Lambda 函数。 虽然过程简单,但是有些问题必须再回过头来探讨一下。

闭包(Closure)一词总结了这些问题。 它非常重要,利用闭包可以轻松生成函数。

考虑一个更复杂的 Lambda,它使用函数作用域之外的变量。 返回该函数会发生什么? 也就是说,当你调用函数时,它对那些 “外部 ”变量引用了什么? 如果语言不能自动解决,那问题将变得非常棘手。 能够解决这个问题的语言被称为支持闭包,或者叫作在词法上限定范围( 也使用术语变量捕获 )。Java 8 提供了有限但合理的闭包支持,我们将用一些简单的例子来研究它。

首先,下列方法返回一个函数,该函数访问对象字段和方法参数:

// functional/Closure1.java

import java.util.function.*;

public class Closure1 {
  int i;
  IntSupplier makeFun(int x) {
    return () -> x + i++;
  }
}

但是,仔细考虑一下,i 的这种用法并非是个大难题,因为对象很可能在你调用 makeFun() 之后就存在了——实际上,垃圾收集器几乎肯定会保留以这种方式被绑定到现存函数的对象5。当然,如果你对同一个对象多次调用 makeFun() ,你最终会得到多个函数,它们共享 i 的存储空间:

// functional/SharedStorage.java

import java.util.function.*;

public class SharedStorage {
  public static void main(String[] args) {
    Closure1 c1 = new Closure1();
    IntSupplier f1 = c1.makeFun(0);
    IntSupplier f2 = c1.makeFun(0);
    IntSupplier f3 = c1.makeFun(0);
    System.out.println(f1.getAsInt());
    System.out.println(f2.getAsInt());
    System.out.println(f3.getAsInt());
  }
}

输出结果:

0
1
2

每次调用 getAsInt() 都会增加 i,表明存储是共享的。

如果 imakeFun() 的局部变量怎么办? 在正常情况下,当 makeFun() 完成时 i 就消失。 但它仍可以编译:

// functional/Closure2.java

import java.util.function.*;

public class Closure2 {
  IntSupplier makeFun(int x) {
    int i = 0;
    return () -> x + i;
  }
}

makeFun() 返回的 IntSupplier “关住了” ix,因此即使makeFun()已执行完毕,当你调用返回的函数时ix仍然有效,而不是像正常情况下那样在 makeFun() 执行后 ix就消失了。 但请注意,我没有像 Closure1.java 那样递增 i,因为会产生编译时错误。代码示例:

// functional/Closure3.java

// {WillNotCompile}
import java.util.function.*;

public class Closure3 {
  IntSupplier makeFun(int x) {
    int i = 0;
    // x++ 和 i++ 都会报错:
    return () -> x++ + i++;
  }
}

xi 的操作都犯了同样的错误:被 Lambda 表达式引用的局部变量必须是 final 或者是等同 final 效果的。

如果使用 final 修饰 xi,就不能再递增它们的值了。代码示例:

// functional/Closure4.java

import java.util.function.*;

public class Closure4 {
  IntSupplier makeFun(final int x) {
    final int i = 0;
    return () -> x + i;
  }
}

那么为什么在 Closure2.java 中, xifinal 却可以运行呢?

这就叫做等同 final 效果(Effectively Final)。这个术语是在 Java 8 才开始出现的,表示虽然没有明确地声明变量是 final 的,但是因变量值没被改变过而实际有了 final 同等的效果。 如果局部变量的初始值永远不会改变,那么它实际上就是 final 的。

如果 xi 的值在方法中的其他位置发生改变(但不在返回的函数内部),则编译器仍将视其为错误。每个递增操作则会分别产生错误消息。代码示例:

// functional/Closure5.java

// {无法编译成功}
import java.util.function.*;

public class Closure5 {
  IntSupplier makeFun(int x) {
    int i = 0;
    i++;
    x++;
    return () -> x + i;
  }
}

等同 final 效果意味着可以在变量声明前加上 final 关键字而不用更改任何其余代码。 实际上它就是具备 final 效果的,只是没有明确说明。

通过在闭包中使用 final 关键字提前修饰变量 xi , 我们解决了 Closure5.java 中的问题。代码示例:

// functional/Closure6.java

import java.util.function.*;

public class Closure6 {
  IntSupplier makeFun(int x) {
    int i = 0;
    i++;
    x++;
    final int iFinal = i;
    final int xFinal = x;
    return () -> xFinal + iFinal;
  }
}

上例中 iFinalxFinal 的值在赋值后并没有改变过,因此在这里使用 final 是多余的。

如果函数式方法中使用的外部局部变量是引用,而不是基本类型的话,会是什么情况呢?我们可以把int类型改为Integer类型研究一下:

// functional/Closure7.java

// {无法编译成功}
import java.util.function.*;

public class Closure7 {
  IntSupplier makeFun(int x) {
    Integer i = 0;
    i = i + 1;
    return () -> x + i;
  }
}

编译器非常聪明地识别到变量 i 的值被更改过。 因为包装类型可能被特殊处理过了,所以我们尝试下 List

// functional/Closure8.java

import java.util.*;
import java.util.function.*;

public class Closure8 {
  Supplier<List<Integer>> makeFun() {
    final List<Integer> ai = new ArrayList<>();
    ai.add(1);
    return () -> ai;
  }
  public static void main(String[] args) {
    Closure8 c7 = new Closure8();
    List<Integer>
      l1 = c7.makeFun().get(),
      l2 = c7.makeFun().get();
    System.out.println(l1);
    System.out.println(l2);
    l1.add(42);
    l2.add(96);
    System.out.println(l1);
    System.out.println(l2);
  }
}

输出结果:

[1]
[1]
[1, 42]
[1, 96]

可以看到,这次一切正常。我们改变了 List 的内容却没产生编译时错误。通过观察本例的输出结果,我们发现这看起来非常安全。这是因为每次调用 makeFun() 时,其实都会创建并返回一个全新而非共享的 ArrayList。也就是说,每个闭包都有自己独立的 ArrayList,它们之间互不干扰。

注意我已经声明 aifinal 的了。尽管在这个例子中你可以去掉 final 并得到相同的结果(试试吧!)。 应用于对象引用的 final 关键字仅表示不会重新赋值引用。 它并不代表你不能修改对象本身。

下面我们来看看 Closure7.javaClosure8.java 之间的区别。我们看到:在 Closure7.java 中变量 i 有过重新赋值。 也许这就是触发等同 final 效果错误消息的原因。

// functional/Closure9.java

// {无法编译成功}
import java.util.*;
import java.util.function.*;

public class Closure9 {
  Supplier<List<Integer>> makeFun() {
    List<Integer> ai = new ArrayList<>();
    ai = new ArrayList<>(); // Reassignment
    return () -> ai;
  }
}

上例,重新赋值引用会触发错误消息。如果只修改指向的对象则没问题,只要没有其他人获得对该对象的引用(这意味着你有多个实体可以修改对象,此时事情会变得非常混乱),基本上就是安全的6

让我们回顾一下 Closure1.java。那么现在问题来了:为什么变量 i 被修改编译器却没有报错呢。 它既不是 final 的,也不是等同 final 效果的。因为 i 是外围类的成员,所以这样做肯定是安全的(除非你正在创建共享可变内存的多个函数)。是的,你可以辩称在这种情况下不会发生变量捕获(Variable Capture)。但可以肯定的是,Closure3.java 的错误消息是专门针对局部变量的。因此,规则并非只是“在 Lambda 之外定义的任何变量必须是 final 的或等同 final 效果那么简单。相反,你必须考虑捕获的变量是否是等同 final 效果的。 如果它是对象中的字段,那么它拥有独立的生存周期,并且不需要任何特殊的捕获,以便稍后在调用 Lambda 时存在。

作为闭包的内部类#

我们可以使用匿名内部类重写之前的例子:

// functional/AnonymousClosure.java

import java.util.function.*;

public class AnonymousClosure {
  IntSupplier makeFun(int x) {
    int i = 0;
    // 同样规则的应用:
    // i++; // 非等同 final 效果
    // x++; // 同上
    return new IntSupplier() {
      public int getAsInt() { return x + i; }
    };
  }
}

实际上只要有内部类,就会有闭包(Java 8 只是简化了闭包操作)。在 Java 8 之前,变量 xi 必须被明确声明为 final。在 Java 8 中,内部类的规则放宽,包括等同 final 效果

函数组合#

函数组合(Function Composition)意为“多个函数组合成新函数”。它通常是函数式编程的基本组成部分。在前面的 TransformFunction.java 类中,有一个使用 andThen() 的函数组合示例。一些 java.util.function 接口中包含支持函数组合的方法 7

组合方法 支持接口
andThen(argument)
根据参数执行原始操作
Function
BiFunction
Consumer
BiConsumer
IntConsumer
LongConsumer
DoubleConsumer
UnaryOperator
IntUnaryOperator
LongUnaryOperator
DoubleUnaryOperator
BinaryOperator
compose(argument)
根据参数执行原始操作
Function
UnaryOperator
IntUnaryOperator
LongUnaryOperator
DoubleUnaryOperator
and(argument)
短路逻辑与原始谓词和参数谓词
Predicate
BiPredicate
IntPredicate
LongPredicate
DoublePredicate
or(argument)
短路逻辑或原始谓词和参数谓词
Predicate
BiPredicate
IntPredicate
LongPredicate
DoublePredicate
negate()
该谓词的逻辑否谓词
Predicate
BiPredicate
IntPredicate
LongPredicate
DoublePredicate

下例使用了 Function 里的 compose()andThen()。代码示例:

// functional/FunctionComposition.java

import java.util.function.*;

public class FunctionComposition {
  static Function<String, String>
    f1 = s -> {
      System.out.println(s);
      return s.replace('A', '_');
    },
    f2 = s -> s.substring(3),
    f3 = s -> s.toLowerCase(),
    f4 = f1.compose(f2).andThen(f3);
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println(
      f4.apply("GO AFTER ALL AMBULANCES"));
  }
}

输出结果:

AFTER ALL AMBULANCES
_fter _ll _mbul_nces

这里我们重点看正在创建的新函数 f4。它调用 apply() 的方式与常规几乎无异8

f1 获得字符串时,它已经被f2 剥离了前三个字符。这是因为 compose(f2) 表示 f2 的调用发生在 f1 之前。

下例是 Predicate 的逻辑运算演示.代码示例:

// functional/PredicateComposition.java

import java.util.function.*;
import java.util.stream.*;

public class PredicateComposition {
  static Predicate<String>
    p1 = s -> s.contains("bar"),
    p2 = s -> s.length() < 5,
    p3 = s -> s.contains("foo"),
    p4 = p1.negate().and(p2).or(p3);
  public static void main(String[] args) {
    Stream.of("bar", "foobar", "foobaz", "fongopuckey")
      .filter(p4)
      .forEach(System.out::println);
  }
}

输出结果:

foobar
foobaz

p4 获取到了所有谓词并组合成一个更复杂的谓词。解读:如果字符串中不包含 bar 且长度小于 5,或者它包含 foo ,则结果为 true

正因它产生如此清晰的语法,我在主方法中采用了一些小技巧,并借用了下一章的内容。首先,我创建了一个字符串对象的流,然后将每个对象传递给 filter() 操作。 filter() 使用 p4 的谓词来确定对象的去留。最后我们使用 forEach()println 方法引用应用在每个留存的对象上。

从输出结果我们可以看到 p4 的工作流程:任何带有 "foo" 的字符串都得以保留,即使它的长度大于 5。 "fongopuckey" 因长度超出且不包含 foo 而被丢弃。

柯里化和部分求值#

柯里化(Currying)的名称来自于其发明者之一 Haskell Curry。他可能是计算机领域唯一姓氏和名字都命名过重要概念的人(另外就是 Haskell 编程语言)。 柯里化意为:将一个多参数的函数,转换为一系列单参数函数。

// functional/CurryingAndPartials.java

import java.util.function.*;

public class CurryingAndPartials {
   // 未柯里化:
   static String uncurried(String a, String b) {
      return a + b;
   }
   public static void main(String[] args) {
      // 柯里化的函数:
      Function<String, Function<String, String>> sum =
         a -> b -> a + b; // [1]

      System.out.println(uncurried("Hi ", "Ho"));

      Function<String, String>
        hi = sum.apply("Hi "); // [2]
      System.out.println(hi.apply("Ho"));

      // 部分应用:
      Function<String, String> sumHi =
        sum.apply("Hup ");
      System.out.println(sumHi.apply("Ho"));
      System.out.println(sumHi.apply("Hey"));
   }
}

输出结果:

Hi Ho
Hi Ho
Hup Ho
Hup Hey

[1] 这一连串的箭头很巧妙。注意,在函数接口声明中,第二个参数是另一个函数。

[2] 柯里化的目的是能够通过提供一个参数来创建一个新函数,所以现在有了一个“带参函数”和剩下的 “自由函数”(free argumnet) 。实际上,你从一个双参数函数开始,最后得到一个单参数函数。

我们可以通过添加级别来柯里化一个三参数函数:

// functional/Curry3Args.java

import java.util.function.*;

public class Curry3Args {
   public static void main(String[] args) {
      Function<String,
        Function<String,
          Function<String, String>>> sum =
            a -> b -> c -> a + b + c;
      Function<String,
        Function<String, String>> hi =
          sum.apply("Hi ");
      Function<String, String> ho =
        hi.apply("Ho ");
      System.out.println(ho.apply("Hup"));
   }
}

输出结果:

Hi Ho Hup

对于每个级别的箭头级联(Arrow-cascading),你都要在类型声明中包裹另一层 Function

处理基本类型和装箱时,请使用适当的函数式接口:

// functional/CurriedIntAdd.java

import java.util.function.*;

public class CurriedIntAdd {
  public static void main(String[] args) {
    IntFunction<IntUnaryOperator>
      curriedIntAdd = a -> b -> a + b;
    IntUnaryOperator add4 = curriedIntAdd.apply(4);
    System.out.println(add4.applyAsInt(5));
      }
}

输出结果:

9

可以在互联网上找到更多的柯里化示例。通常它们是用 Java 之外的语言实现的,但如果理解了柯里化的基本概念,你可以很轻松地用 Java 实现它们。

纯函数式编程#

即使没有函数式支持,像 C 这样的基础语言,也可以按照一定的原则编写纯函数式程序。Java 8 让函数式编程更简单,不过我们要确保一切是 final 的,同时你的所有方法和函数没有副作用。因为 Java 在本质上并非是不可变语言,所以编译器对我们犯的错误将无能为力。

这种情况下,我们可以借助第三方工具9,但使用 Scala 或 Clojure 这样的语言可能更简单。因为它们从一开始就是为保持不变性而设计的。你可以采用这些语言来编写你的 Java 项目的一部分。如果必须要用纯函数式编写,则可以用 Scala(需要遵循一些规则) 或 Clojure (遵循的规则更少)。虽然 Java 支持并发编程,但如果这是你项目的核心部分,你应该考虑在项目部分功能中使用 ScalaClojure 之类的语言。

本章小结#

Lambda 表达式和方法引用并没有将 Java 转换成函数式语言,而是提供了对函数式编程的支持。这对 Java 来说是一个巨大的改进。因为这允许你编写更简洁明了,易于理解的代码。在下一章中,你会看到它们在流式编程中的应用。相信你会像我一样,喜欢上流式编程。

这些特性满足了很多羡慕Clojure、Scala 这类更函数化语言的程序员,并且阻止了Java程序员转向那些更函数化的语言(就算不能阻止,起码提供了更好的选择)。

但是,Lambdas 和方法引用远非完美,我们永远要为 Java 设计者早期的草率决定付出代价。特别是没有泛型 Lambda,所以 Lambda 在 Java 中并非一等公民。虽然我不否认 Java 8 的巨大改进,但这意味着和许多 Java 特性一样,它终究还是会让人感觉沮丧和鸡肋。

当你遇到学习困难时,请记住通过 IDE(NetBeans、IntelliJ Idea 和 Eclipse)获得帮助,因为 IDE 可以智能提示你何时使用 Lambda 表达式或方法引用,甚至有时还能为你优化代码。


  1. 功能粘贴在一起的方法的确有点与众不同,但它仍不失为一个库。 

  2. 例如,这个电子书是利用 Pandoc 制作出来的,它是用纯函数式语言 Haskell 编写的一个程序 。 

  3. 有时函数式语言将其描述为“代码即数据”。 

  4. 这个语法来自 C++。 

  5. 我还没有验证过这种说法。 

  6. 当你理解了并发编程章节的内容,你就能明白为什么更改共享变量 “不是线程安全的” 的了。 

  7. 接口能够支持方法的原因是它们是 Java 8 默认方法,你将在下一章中了解到。 

  8. 一些语言,如 Python,允许像调用其他函数一样调用组合函数。但这是 Java,所以我们做做可为之事。 

  9. 例如,ImmutablesMutability Detector。