Java是面向?qū)ο蟮恼Z言，無法直接調(diào)用一個函數(shù)。Java 8開始，引入了函數(shù)式編程接口與Lambda表達(dá)式，便于開發(fā)者寫出更少更優(yōu)雅的代碼。什么是函數(shù)式編程?函數(shù)式編程的特點(diǎn)是什么?本文通過代碼實(shí)例，從Stream類、Lambda表達(dá)式和函數(shù)接口這三個語法概念來分享Java對函數(shù)式編程的支持。

背景

在很長的一段時間里，Java一直是面向?qū)ο蟮恼Z言，一切皆對象，如果想要調(diào)用一個函數(shù)，函數(shù)必須屬于一個類或?qū)ο?，然后在使用類或?qū)ο筮M(jìn)行調(diào)用。但是在其它的編程語言中，如JS、C++，我們可以直接寫一個函數(shù)，然后在需要的時候進(jìn)行調(diào)用，既可以說是面向?qū)ο缶幊?，也可以說是函數(shù)式編程。從功能上來看，面向?qū)ο缶幊虥]什么不好的地方，但是從開發(fā)的角度來看，面向?qū)ο缶幊虝鄬懞芏嗫赡苁侵貜?fù)的代碼行。比如創(chuàng)建一個Runnable的匿名類的時候：

Runnable runnable = new Runnable() { 
     @Override 
     public void run() { 
         System.out.println("do something..."); 
     } 
 };

這一段代碼中真正有用的只有run方法中的內(nèi)容，剩余的部分都是屬于Java編程語言的結(jié)構(gòu)部分，沒什么用，但是要寫。幸運(yùn)的是Java 8開始，引入了函數(shù)式編程接口與Lambda表達(dá)式，幫助我們寫更少更優(yōu)雅的代碼：

// 一行即可 
 Runnable runnable = () -> System.out.println("do something...");

現(xiàn)在主流的編程范式主要有三種，面向過程、面向?qū)ο蠛秃瘮?shù)式編程。

函數(shù)式編程并非一個很新的東西，早在50多年前就已經(jīng)出現(xiàn)了。近幾年，函數(shù)式編程越來越被人關(guān)注，出現(xiàn)了很多新的函數(shù)式編程語言，比如Clojure、Scala、Erlang等。一些非函數(shù)式編程語言也加入了很多特性、語法、類庫來支持函數(shù)式編程，比如Java、Python、Ruby、JavaScript等。除此之外，Google Guava也有對函數(shù)式編程的增強(qiáng)功能。

函數(shù)式編程因其編程的特殊性，僅在科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析等領(lǐng)域，才能更好地發(fā)揮它的優(yōu)勢，所以它并不能完全替代更加通用的面向?qū)ο缶幊谭妒?。但是作為一種補(bǔ)充，它也有很大存在、發(fā)展和學(xué)習(xí)的意義。

什么是函數(shù)式編程

函數(shù)式編程的英文翻譯是Functional Programming。

那到底什么是函數(shù)式編程呢?實(shí)際上，函數(shù)式編程沒有一個嚴(yán)格的官方定義。嚴(yán)格上來講，函數(shù)式編程中的“函數(shù)”，并不是指我們編程語言中的“函數(shù)”概念，而是指數(shù)學(xué)“函數(shù)”或者“表達(dá)式”(例如：y=f(x))。不過，在編程實(shí)現(xiàn)的時候，對于數(shù)學(xué)“函數(shù)”或“表達(dá)式”，我們一般習(xí)慣性地將它們設(shè)計成函數(shù)。所以，如果不深究的話，函數(shù)式編程中的“函數(shù)”也可以理解為編程語言中的“函數(shù)”。

每個編程范式都有自己獨(dú)特的地方，這就是它們會被抽象出來作為一種范式的原因。面向?qū)ο缶幊套畲蟮奶攸c(diǎn)是：以類、對象作為組織代碼的單元以及它的四大特性。面向過程編程最大的特點(diǎn)是：以函數(shù)作為組織代碼的單元，數(shù)據(jù)與方法相分離。那函數(shù)式編程最獨(dú)特的地方又在哪里呢?實(shí)際上，函數(shù)式編程最獨(dú)特的地方在于它的編程思想。函數(shù)式編程認(rèn)為程序可以用一系列數(shù)學(xué)函數(shù)或表達(dá)式的組合來表示。函數(shù)式編程是程序面向數(shù)學(xué)的更底層的抽象，將計算過程描述為表達(dá)式。不過，這樣說你肯定會有疑問，真的可以把任何程序都表示成一組數(shù)學(xué)表達(dá)式嗎?

理論上講是可以的。但是，并不是所有的程序都適合這么做。函數(shù)式編程有它自己適合的應(yīng)用場景，比如科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析等。在這些領(lǐng)域，程序往往比較容易用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示，比起非函數(shù)式編程，實(shí)現(xiàn)同樣的功能，函數(shù)式編程可以用很少的代碼就能搞定。但是，對于強(qiáng)業(yè)務(wù)相關(guān)的大型業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)來說，費(fèi)勁吧啦地將它抽象成數(shù)學(xué)表達(dá)式，硬要用函數(shù)式編程來實(shí)現(xiàn)，顯然是自討苦吃。相反，在這種應(yīng)用場景下，面向?qū)ο缶幊谈雍线m，寫出來的代碼更加可讀、可維護(hù)。

再具體到編程實(shí)現(xiàn)，函數(shù)式編程跟面向過程編程一樣，也是以函數(shù)作為組織代碼的單元。不過，它跟面向過程編程的區(qū)別在于，它的函數(shù)是無狀態(tài)的。何為無狀態(tài)?簡單點(diǎn)講就是，函數(shù)內(nèi)部涉及的變量都是局部變量，不會像面向?qū)ο缶幊棠菢樱蚕眍惓蓡T變量，也不會像面向過程編程那樣，共享全局變量。函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果只與入?yún)⒂嘘P(guān)，跟其他任何外部變量無關(guān)。同樣的入?yún)?，不管怎么?zhí)行，得到的結(jié)果都是一樣的。這實(shí)際上就是數(shù)學(xué)函數(shù)或數(shù)學(xué)表達(dá)式的基本要求。舉個例子：

// 有狀態(tài)函數(shù): 執(zhí)行結(jié)果依賴b的值是多少，即便入?yún)⑾嗤?
 // 多次執(zhí)行函數(shù)，函數(shù)的返回值有可能不同，因?yàn)閎值有可能不同。 
 int b; 
 int increase(int a) { 
   return a + b; 
 } 
  
 // 無狀態(tài)函數(shù)：執(zhí)行結(jié)果不依賴任何外部變量值 
 // 只要入?yún)⑾嗤?，不管?zhí)行多少次，函數(shù)的返回值就相同 
 int increase(int a, int b) { 
   return a + b; 
 }

不同的編程范式之間并不是截然不同的，總是有一些相同的編程規(guī)則。比如不管是面向過程、面向?qū)ο筮€是函數(shù)式編程，它們都有變量、函數(shù)的概念，最頂層都要有main函數(shù)執(zhí)行入口，來組裝編程單元(類、函數(shù)等)。只不過，面向?qū)ο蟮木幊虇卧穷惢驅(qū)ο?，面向過程的編程單元是函數(shù)，函數(shù)式編程的編程單元是無狀態(tài)函數(shù)。

Java對函數(shù)式編程的支持

實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο缶幊滩灰欢ǚ堑檬褂妹嫦驅(qū)ο缶幊陶Z言，同理，實(shí)現(xiàn)函數(shù)式編程也不一定非得使用函數(shù)式編程語言?，F(xiàn)在，很多面向?qū)ο缶幊陶Z言，也提供了相應(yīng)的語法、類庫來支持函數(shù)式編程。

Java這種面向?qū)ο缶幊陶Z言，對函數(shù)式編程的支持可以通過一個例子來描述：

public class Demo { 
   public static void main(String[] args) { 
     Optional<Integer> result = Stream.of("a", "be", "hello") 
             .map(s -> s.length()) 
             .filter(l -> l <= 3) 
             .max((o1, o2) -> o1-o2); 
     System.out.println(result.get()); // 輸出2 
   } 
 }

這段代碼的作用是從一組字符串?dāng)?shù)組中，過濾出長度小于等于3的字符串，并且求得這其中的最大長度。

Java為函數(shù)式編程引入了三個新的語法概念：Stream類、Lambda表達(dá)式和函數(shù)接口(Functional Inteface)。Stream類用來支持通過“.”級聯(lián)多個函數(shù)操作的代碼編寫方式;引入Lambda表達(dá)式的作用是簡化代碼編寫;函數(shù)接口的作用是讓我們可以把函數(shù)包裹成函數(shù)接口，來實(shí)現(xiàn)把函數(shù)當(dāng)做參數(shù)一樣來使用(Java 不像C那樣支持函數(shù)指針，可以把函數(shù)直接當(dāng)參數(shù)來使用)。

Stream類

假設(shè)我們要計算這樣一個表達(dá)式：(3-1)*2+5。如果按照普通的函數(shù)調(diào)用的方式寫出來，就是下面這個樣子：

add(multiply(subtract(3,1),2),5);

不過，這樣編寫代碼看起來會比較難理解，我們換個更易讀的寫法，如下所示：

subtract(3,1).multiply(2).add(5);

在Java中，“.”表示調(diào)用某個對象的方法。為了支持上面這種級聯(lián)調(diào)用方式，我們讓每個函數(shù)都返回一個通用的Stream類對象。在Stream類上的操作有兩種：中間操作和終止操作。中間操作返回的仍然是Stream類對象，而終止操作返回的是確定的值結(jié)果。

再來看之前的例子，對代碼做了注釋解釋。其中map、filter是中間操作，返回Stream類對象，可以繼續(xù)級聯(lián)其他操作;max是終止操作，返回的不是Stream類對象，無法再繼續(xù)往下級聯(lián)處理了。

public class Demo { 
   public static void main(String[] args) { 
     Optional<Integer> result = Stream.of("f", "ba", "hello") // of返回Stream<String>對象 
             .map(s -> s.length()) // map返回Stream<Integer>對象 
             .filter(l -> l <= 3) // filter返回Stream<Integer>對象 
             .max((o1, o2) -> o1-o2); // max終止操作：返回Optional<Integer> 
     System.out.println(result.get()); // 輸出2 
   } 
 }

Lambda表達(dá)式

前面提到Java引入Lambda表達(dá)式的主要作用是簡化代碼編寫。實(shí)際上，我們也可以不用Lambda表達(dá)式來書寫例子中的代碼。我們拿其中的map函數(shù)來舉例說明。

下面三段代碼，第一段代碼展示了map函數(shù)的定義，實(shí)際上，map函數(shù)接收的參數(shù)是一個Function接口，也就是函數(shù)接口。第二段代碼展示了map函數(shù)的使用方式。第三段代碼是針對第二段代碼用Lambda表達(dá)式簡化之后的寫法。實(shí)際上，Lambda表達(dá)式在Java中只是一個語法糖而已，底層是基于函數(shù)接口來實(shí)現(xiàn)的，也就是第二段代碼展示的寫法。

// Stream類中map函數(shù)的定義： 
 public interface Stream<T> extends BaseStream<T, Stream<T>> { 
   <R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper); 
   //...省略其他函數(shù)... 
 } 
  
 // Stream類中map的使用方法示例： 
 Stream.of("fo", "bar", "hello").map(new Function<String, Integer>() { 
   @Override 
   public Integer apply(String s) { 
     return s.length(); 
   } 
 }); 
  
 // 用Lambda表達(dá)式簡化后的寫法： 
 Stream.of("fo", "bar", "hello").map(s -> s.length());

Lambda表達(dá)式包括三部分：輸入、函數(shù)體、輸出。表示出來的話就是下面這個樣子：

(a, b) -> { 語句1;語句2;...; return 輸出; } //a,b是輸入?yún)?shù)

實(shí)際上，Lambda表達(dá)式的寫法非常靈活。上面給出的是標(biāo)準(zhǔn)寫法，還有很多簡化寫法。比如，如果輸入?yún)?shù)只有一個，可以省略 ()，直接寫成 a->{…};如果沒有入?yún)?，可以直接將輸入和箭頭都省略掉，只保留函數(shù)體;如果函數(shù)體只有一個語句，那可以將{}省略掉;如果函數(shù)沒有返回值，return語句就可以不用寫了。

Optional<Integer> result = Stream.of("f", "ba", "hello") 
         .map(s -> s.length()) 
         .filter(l -> l <= 3) 
         .max((o1, o2) -> o1-o2); 
          
 // 還原為函數(shù)接口的實(shí)現(xiàn)方式 
 Optional<Integer> result2 = Stream.of("fo", "bar", "hello") 
         .map(new Function<String, Integer>() { 
           @Override 
           public Integer apply(String s) { 
             return s.length(); 
           } 
         }) 
         .filter(new Predicate<Integer>() { 
           @Override 
           public boolean test(Integer l) { 
             return l <= 3; 
           } 
         }) 
         .max(new Comparator<Integer>() { 
           @Override 
           public int compare(Integer o1, Integer o2) { 
             return o1 - o2; 
           } 
         });

Lambda表達(dá)式與匿名類的異同集中體現(xiàn)在以下三點(diǎn)上：

• Lambda就是為了優(yōu)化匿名內(nèi)部類而生，Lambda要比匿名類簡潔的多得多。
• Lambda僅適用于函數(shù)式接口，匿名類不受限。
• 即匿名類中的this是“匿名類對象”本身;Lambda表達(dá)式中的this是指“調(diào)用Lambda表達(dá)式的對象”。

函數(shù)接口

實(shí)際上，上面一段代碼中的Function、Predicate、Comparator都是函數(shù)接口。我們知道，C語言支持函數(shù)指針，它可以把函數(shù)直接當(dāng)變量來使用。

但是，Java沒有函數(shù)指針這樣的語法。所以它通過函數(shù)接口，將函數(shù)包裹在接口中，當(dāng)作變量來使用。實(shí)際上，函數(shù)接口就是接口。不過，它也有自己特別的地方，那就是要求只包含一個未實(shí)現(xiàn)的方法。因?yàn)橹挥羞@樣，Lambda表達(dá)式才能明確知道匹配的是哪個方法。如果有兩個未實(shí)現(xiàn)的方法，并且接口入?yún)?、返回值都一樣，那Java在翻譯Lambda表達(dá)式的時候，就不知道表達(dá)式對應(yīng)哪個方法了。

函數(shù)式接口也是Java interface的一種，但還需要滿足：

• 一個函數(shù)式接口只有一個抽象方法(single abstract method);
• Object類中的public abstract method不會被視為單一的抽象方法;
• 函數(shù)式接口可以有默認(rèn)方法和靜態(tài)方法;
• 函數(shù)式接口可以用@FunctionalInterface注解進(jìn)行修飾。

滿足這些條件的interface，就可以被視為函數(shù)式接口。例如Java 8中的Comparator接口：

@FunctionalInterface 
 public interface Comparator<T> { 
     /** 
      * single abstract method 
      * @since 1.8 
      */ 
     int compare(T o1, T o2); 
  
     /** 
      * Object類中的public abstract method  
      * @since 1.8 
      */ 
     boolean equals(Object obj); 
  
     /** 
      * 默認(rèn)方法 
      * @since 1.8 
      */ 
     default Comparator<T> reversed() { 
         return Collections.reverseOrder(this); 
     } 
  
      
     /** 
      * 靜態(tài)方法 
      * @since 1.8 
      */ 
     public static <T extends Comparable<? super T>> Comparator<T> reverseOrder() { 
         return Collections.reverseOrder(); 
     } 
  
     //省略... 
 }

函數(shù)式接口有什么用呢?一句話，函數(shù)式接口帶給我們最大的好處就是：可以使用極簡的lambda表達(dá)式實(shí)例化接口。為什么這么說呢?我們或多或少使用過一些只有一個抽象方法的接口，比如Runnable、ActionListener、Comparator等等，比如我們要用Comparator實(shí)現(xiàn)排序算法，我們的處理方式通常無外乎兩種：

• 規(guī)規(guī)矩矩的寫一個實(shí)現(xiàn)了Comparator接口的Java類去封裝排序邏輯。若業(yè)務(wù)需要多種排序方式，那就得寫多個類提供多種實(shí)現(xiàn)，而這些實(shí)現(xiàn)往往只需使用一次。
• 另外一種聰明一些的做法無外乎就是在需要的地方搞個匿名內(nèi)部類，比如：

public class Test {  
     public static void main(String args[]) {  
         List<Person> persons = new ArrayList<Person>(); 
         Collections.sort(persons, new Comparator<Person>(){ 
             @Override 
             public int compare(Person o1, Person o2) { 
                 return Integer.compareTo(o1.getAge(), o2.getAge()); 
             } 
         }); 
     }  
 }

匿名內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)的代碼量沒有多到哪里去，結(jié)構(gòu)也還算清晰。Comparator接口在Jdk 1.8的實(shí)現(xiàn)增加了FunctionalInterface注解，代表Comparator是一個函數(shù)式接口，使用者可放心的通過lambda表達(dá)式來實(shí)例化。那我們來看看使用lambda表達(dá)式來快速new一個自定義比較器所需要編寫的代碼：

Comparator<Person> comparator = (p1, p2) -> Integer.compareTo(p1.getAge(), p2.getAge());

-> 前面的 () 是Comparator接口中compare方法的參數(shù)列表，-> 后面則是compare方法的方法體。

下面將Java提供的Function、Predicate這兩個函數(shù)接口的源碼，摘抄如下：

@FunctionalInterface 
 public interface Function<T, R> { 
     R apply(T t);  // 只有這一個未實(shí)現(xiàn)的方法 
  
     default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) { 
         Objects.requireNonNull(before); 
         return (V v) -> apply(before.apply(v)); 
     } 
  
     default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) { 
         Objects.requireNonNull(after); 
         return (T t) -> after.apply(apply(t)); 
     } 
  
     static <T> Function<T, T> identity() { 
         return t -> t; 
     } 
 } 
  
 @FunctionalInterface 
 public interface Predicate<T> { 
     boolean test(T t); // 只有這一個未實(shí)現(xiàn)的方法 
  
     default Predicate<T> and(Predicate<? super T> other) { 
         Objects.requireNonNull(other); 
         return (t) -> test(t) && other.test(t); 
     } 
  
     default Predicate<T> negate() { 
         return (t) -> !test(t); 
     } 
  
     default Predicate<T> or(Predicate<? super T> other) { 
         Objects.requireNonNull(other); 
         return (t) -> test(t) || other.test(t); 
     } 
  
     static <T> Predicate<T> isEqual(Object targetRef) { 
         return (null == targetRef) 
                 ? Objects::isNull 
                 : object -> targetRef.equals(object); 
     } 
 }

@FunctionalInterface注解使用場景

我們知道，一個接口只要滿足只有一個抽象方法的條件，即可以當(dāng)成函數(shù)式接口使用，有沒有 @FunctionalInterface 都無所謂。但是jdk定義了這個注解肯定是有原因的，對于開發(fā)者，該注解的使用一定要三思而后續(xù)行。

如果使用了此注解，再往接口中新增抽象方法，編譯器就會報錯，編譯不通過。換句話說，@FunctionalInterface 就是一個承諾，承諾該接口世世代代都只會存在這一個抽象方法。因此，凡是使用了這個注解的接口，開發(fā)者可放心大膽的使用Lambda來實(shí)例化。當(dāng)然誤用 @FunctionalInterface 帶來的后果也是極其慘重的：如果哪天你把這個注解去掉，再加一個抽象方法，則所有使用Lambda實(shí)例化該接口的客戶端代碼將全部編譯錯誤。

特別地，當(dāng)某接口只有一個抽象方法，但沒有用 @FunctionalInterface 注解修飾時，則代表別人沒有承諾該接口未來不增加抽象方法，所以建議不要用Lambda來實(shí)例化，還是老老實(shí)實(shí)的用以前的方式比較穩(wěn)妥。

小結(jié)

函數(shù)式編程更符合數(shù)學(xué)上函數(shù)映射的思想。具體到編程語言層面，我們可以使用Lambda表達(dá)式來快速編寫函數(shù)映射，函數(shù)之間通過鏈?zhǔn)秸{(diào)用連接到一起，完成所需業(yè)務(wù)邏輯。Java的Lambda表達(dá)式是后來才引入的，由于函數(shù)式編程在并行處理方面的優(yōu)勢，正在被大量應(yīng)用在大數(shù)據(jù)計算領(lǐng)域。

【本文為51CTO專欄作者“阿里巴巴官方技術(shù)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者】

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