自從 Java 8 引入函數(shù)式編程后，給很多 Java 程序員帶來了福音，函數(shù)式編程是一種專注于使用函數(shù)來創(chuàng)建清晰簡潔的代碼的范式，它不像傳統(tǒng)的命令式編程那樣修改數(shù)據(jù)和維護(hù)狀態(tài)，而是將函數(shù)視為一等公民。這樣就可以將它們分配給變量，作為參數(shù)傳遞，并從其他函數(shù)返回，這種方法可以使代碼更易于理解和推理。

一、Java為什么要引入函數(shù)式編程？

近年來，函數(shù)式編程因其能夠幫助管理復(fù)雜性而越來越受歡迎，尤其是在大型應(yīng)用程序中，它強(qiáng)調(diào)不變性，避免副作用，并以更可預(yù)測和模塊化的方式處理數(shù)據(jù)，這樣可以更輕松地測試和維護(hù)代碼。

Java 是一種典型的面向?qū)ο笳Z言，為什么會在 Java 8 中引入函數(shù)式編程特性？主要原因有以下幾點：

• 簡化代碼：函數(shù)式編程可以減少樣板代碼，使代碼更簡潔，從而更易于維護(hù)和更好的可讀性。
• 并發(fā)性和并行性：函數(shù)式編程與現(xiàn)代多核架構(gòu)配合良好，可實現(xiàn)高效的并行處理，而無需擔(dān)心共享狀態(tài)或副作用。
• 表現(xiàn)力和靈活性：通過采用函數(shù)式接口和 Lambda 表達(dá)式，Java 獲得了更具表現(xiàn)力的語法，使我們能夠編寫靈活且適應(yīng)性強(qiáng)的代碼。

在 Java 語言中，函數(shù)式編程主要圍繞著以下幾個關(guān)鍵概念：

• Lambda 表達(dá)式：在需要提供函數(shù)接口的任何地方使用這些緊湊函數(shù)。它們有助于減少樣板代碼。
• 方法引用：這些是引用方法的簡寫方式，使代碼更加簡潔和可讀。
• 函數(shù)接口：這些是具有單個抽象方法的接口，非常適合 Lambda 表達(dá)式和方法引用。常見示例包括 Predicate、Function、Consumer、Supplier 和 Operator。

二、函數(shù)式編程的優(yōu)缺點

Java 中的函數(shù)式編程給開發(fā)帶來了許多便利，但同時也有缺點和挑戰(zhàn)，下面整理了一些主要的優(yōu)缺點：

1.優(yōu)點

(1) 提高了代碼的可讀性

由于使用 Lambda 表達(dá)式和方法引用，函數(shù)代碼往往非常簡潔，從而減少了樣板代碼并簡化了代碼維護(hù)。對不可變性的關(guān)注（即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在創(chuàng)建后保持不變）有助于減少副作用，并防止因狀態(tài)意外更改而導(dǎo)致的錯誤。

(2) 與并發(fā)和并行的兼容性

由于函數(shù)式編程促進(jìn)了不可變性，因此操作可以并行運(yùn)行，而不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致或競爭條件的常見風(fēng)險，這使得代碼更適合多線程環(huán)境。

(3) 模塊化和可重用性

函數(shù)式編程還促進(jìn)了模塊化和可重用性，由于函數(shù)是一等公民，我們可以創(chuàng)建小的、可重用的組件，從而產(chǎn)生更簡潔、更易于維護(hù)的代碼。

(4) 降低了復(fù)雜性

函數(shù)式編程中的抽象降低了整體復(fù)雜性，使我們能夠?qū)Ｗ⒂诨具壿?，而不必?fù)?dān)心實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

2.缺點

(1) 學(xué)習(xí)難度大

函數(shù)式編程的學(xué)習(xí)曲線可能很陡峭，特別是對于習(xí)慣于面向過程或面向?qū)ο缶幊痰娜藖碚f，由于高階函數(shù)和不變性等概念，我們的思維方式可能要發(fā)生顯著的變化。

由于涉及抽象，調(diào)試函數(shù)代碼也可能具有挑戰(zhàn)性，理解復(fù)雜的 Lambda 表達(dá)式可能需要更深入地了解函數(shù)概念。

(2) 性能開銷

性能開銷是函數(shù)式編程的另一個問題，尤其是由于函數(shù)式編程中頻繁的對象創(chuàng)建和附加函數(shù)調(diào)用，這可能會影響資源受限環(huán)境中的性能。

(3) 兼容性問題

與舊系統(tǒng)或庫的集成可能會出現(xiàn)兼容性問題，因為它們可能不是為函數(shù)式編程設(shè)計的，從而導(dǎo)致集成困難。

(4) 靈活性

最后，函數(shù)式編程對不可變性和無副作用函數(shù)的關(guān)注可能會降低在需要可變性或復(fù)雜對象操作的場景中的靈活性。

總的來說，雖然函數(shù)式編程提供了顯著的好處，如提高可讀性和更容易的并發(fā)性，但它也帶來了挑戰(zhàn)，因此我們需要同時考慮這些優(yōu)缺點，從而更好的把握函數(shù)式編程是否適應(yīng)當(dāng)前的 Java 應(yīng)用程序。

三、@FunctionalInterface

Java 是如何定義函數(shù)式接口的？

下圖為 @FunctionalInterface 在 JDK中源碼的具體信息：

通過上述源碼，我們可以得到以下信息：

• @FunctionalInterface 注解位于 java.lang 包下，它是 Java 中一個特殊的標(biāo)記，使接口成為函數(shù)式接口，使得它可以很好地用作 Lambda 表達(dá)式或方法引用的目標(biāo)。
• 在函數(shù)式接口中，有且只能有一個抽象方法，如果在接口中添加更多的抽象方法，編譯器將生成錯誤，從而確保函數(shù)接口的完整性。
• 函數(shù)式接口是 Java 支持函數(shù)式編程的核心，它們允許我們通過使用 Lambda 表達(dá)式、減少樣板代碼和促進(jìn)可重用性來編寫更簡潔、更簡潔的代碼。
• 函數(shù)式接口中允許存在 default方法，因為它不是抽象的，這也就意味函數(shù)式接口中可以存在多個方法，但是只能有一個抽象方法。
• @FunctionalInterface 注解只能應(yīng)用在接口上，不能應(yīng)用于注解類型、枚舉或類。

另外，有些接口盡管它沒有 @FunctionalInterface 注解，然而它只有一個抽象方法，因此該接口本質(zhì)上也是函數(shù)式接口，因此 @FunctionalInterface 注解并不是必須的，但是增加該注釋是一種很優(yōu)雅的行為，因為它提高了代碼的可讀性，強(qiáng)制執(zhí)行約束，并幫助其他人理解我們的意圖，有助于提高代碼庫的可維護(hù)性和一致性。

四、函數(shù)式接口的使用

Java 的函數(shù)式接口有很多豐富的使用方式，這里主要從自定義函數(shù)式接口和內(nèi)建函數(shù)式接口兩個大方向進(jìn)行分析。

1.自定義函數(shù)式接口

從上文的講解我們可以知道：Java 的函數(shù)式接口本質(zhì)上只有一個抽象方法。因此，我們可以利用這個特征來設(shè)計一個簡單的計算器示例，接收兩個整數(shù)入?yún)⒉⒎祷厮阈g(shù)運(yùn)算的結(jié)果。

為了實現(xiàn)這一點，我們定義一個名為 Calculator 的函數(shù)接口，并且包含一個 operate() 抽象方法，示例代碼如下：

@FunctionalInterface
interface Calculator {
    int operate(int a, int b);
}

在上述示例中，Calculator 接口增加了 @FunctionalInterface注解，它清晰地表明 Calculator 是函數(shù)式接口，強(qiáng)調(diào)它應(yīng)該只包含一個抽象方法 operate()。

operate() 方法 ，它接受兩個整數(shù)入?yún)⒉⒎祷匾粋€整數(shù)結(jié)果，通過這個函數(shù)接口，我們可以使用 Lambda 表達(dá)式創(chuàng)建不同的算術(shù)運(yùn)算，比如加法、減法、乘法和除法，示例代碼如下：

@Test
void operateTest() {
    // 使用 Lambda 定義操作
    Calculator add = (a, b) -> a + b;      // 加法
    Calculator subtract = (a, b) -> a - b; // 減法
    Calculator multiply = (a, b) -> a * b; // 乘法
    Calculator divide = (a, b) -> a / b;   // 除法
    // 驗證結(jié)果
    assertEquals(15, add.operate(10, 5));
    assertEquals(5, subtract.operate(10, 5));
    assertEquals(50, multiply.operate(10, 5));
    assertEquals(2, divide.operate(10, 5));
}

在 operateTest 這個測試方法中，我們首先使用 Calculator 為加減乘除 4個運(yùn)算定義了 Lambda 表達(dá)式，然后使用斷言來驗證 operate() 方法的算術(shù)運(yùn)算結(jié)果與預(yù)期值是否匹配。

通過這個示例，我們可以使用自定義函數(shù)式接口很靈活的定義 Lambda表達(dá)式，實現(xiàn)函數(shù)式編程。

2.Java內(nèi)建函數(shù)式接口

從 Java 8 開始， 在 java.util.function 包里面提供了很多內(nèi)置的函數(shù)接口，下面列舉了幾個最常見的內(nèi)置函數(shù)式接口以及它們的典型用例和代碼示例：

(1) Predicate<T>

Predicate<T> 表示接受 T 類型的輸入并返回布爾值的函數(shù)，通常用于篩選和條件檢查。源碼如下：

@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
  /**
   * Evaluates this predicate on the given argument.
   *
   * @param t the input argument
   * @return {@code true} if the input argument matches the predicate,
   * otherwise {@code false}
   */
    boolean test(T t);
    
    // default methods
}

使用舉例：

• 檢查數(shù)字是否為偶數(shù)
• 根據(jù)長度篩選字符串列表
• 驗證用戶輸入

如下代碼，Predicate<Integer> 被定義為 isEven，它檢查一個數(shù)是否是偶數(shù)。然后，我們使用 filter 方法和 isEven 謂詞來篩選出偶數(shù)，并將結(jié)果收集到一個新的列表中。

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

public class PredicateExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10);
        Predicate<Integer> isEven = n -> n % 2 == 0;
        List<Integer> evenNumbers = numbers.stream().filter(isEven).collect(Collectors.toList());
        System.out.println("Even numbers: " + evenNumbers);
    }
}

(2) Function<T, R>

Function<T, R> 表示函數(shù)接受 T 類型的輸入并返回 R 類型的結(jié)果，通常用于轉(zhuǎn)換或映射操作。源碼如下：

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
  /**
   * Applies this function to the given argument.
   *
   * @param t the function argument
   * @return the function result
   */ 
  R apply(T t);
  
  // default methods
}

使用舉例：

• 將字符串轉(zhuǎn)換為大寫
• 將員工對象映射到其工資
• 將字符串解析為整數(shù)

如下代碼，F(xiàn)unction<Integer, Integer> 被定義為 square，它計算一個整數(shù)的平方。我們使用 map 方法和 square 函數(shù)將所有整數(shù)轉(zhuǎn)換為它們的平方，并將結(jié)果收集到一個新的列表中。

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.function.Function;
import java.util.stream.Collectors;

public class FunctionExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        Function<Integer, Integer> square = n -> n * n;
        List<Integer> squares = numbers.stream().map(square).collect(Collectors.toList());
        System.out.println("Squares: " + squares);
    }
}

(3) Consumer<T>

Consumer<T> 表示接受 T 類型的輸入并執(zhí)行操作而不返回結(jié)果的函數(shù)，非常適合打印或記錄等副作用操作。源碼如下：

@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {
  /**
   * Performs this operation on the given argument.
   * @param t the input argument
   */
    void accept(T t);
    
    // default methods
}

使用舉例：

• 記錄用戶操作
• 打印數(shù)字列表
• 更新對象屬性

如下代碼，Consumer<String> 被定義為 printName，它打印一個字符串。然后，我們使用 forEach 方法和 printName 消費者對列表中的每個字符串進(jìn)行打印。

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

public class ConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> names = Arrays.asList("Tom", "Bob", "Cherry");
        Consumer<String> printName = name -> System.out.println(name);
        names.forEach(printName);
    }
}

(4) Supplier<T>

Supplier<T> 表示該函數(shù)提供 T 類型的值而不采用任何參數(shù)，對于延遲初始化和延遲計算很有用。源碼如下：

@FunctionalInterface
public interface Supplier<T> {
  /**
   * Gets a result.
   * @return a result
   */
  T get();
  
  // default methods
}

使用舉例：

• 創(chuàng)建新的對象實例
• 生成隨機(jī)數(shù)
• 提供默認(rèn)值

如下代碼，Supplier<Double> 被定義為 randomSupplier，它返回一個隨機(jī)數(shù)，我們使用 get 方法來調(diào)用供應(yīng)商并獲取隨機(jī)數(shù)。

import java.util.function.Supplier;
import java.util.Random;

public class SupplierExample {
    public static void main(String[] args) {
        Supplier<Double> randomSupplier = () -> new Random().nextDouble();

        System.out.println("Random number: " + randomSupplier.get());
        System.out.println("Random number: " + randomSupplier.get());
    }
}

(5) BiFunction<T,T,T>

BinaryOperator<T, T, T>，表示該函數(shù)接受兩個 T 類型的輸入并返回相同類型的結(jié)果，可用于組合或減少操作。源碼如下：

@FunctionalInterface
public interface BiFunction<T, U, R> {

    /**
     * Applies this function to the given arguments.
     *
     * @param t the first function argument
     * @param u the second function argument
     * @return the function result
     */
    R apply(T t, U u);
  // default methods
}
@FunctionalInterface
public interface BinaryOperator<T> extends BiFunction<T,T,T> {
    
}

使用舉例：

• 求兩個值的最大值
• 將兩個數(shù)字相加
• 連接字符串

如下代碼，BinaryOperator<Integer> 被定義為將兩個整數(shù)相加。我們使用 apply() 方法來調(diào)用操作符并獲取結(jié)果。源碼如下：

import java.util.function.BinaryOperator;

public class BinaryOperatorExample {
    public static void main(String[] args) {
        BinaryOperator<Integer> add = (a, b) -> a + b;

        int result = add.apply(3, 5);
        System.out.println("Result: " + result); // 輸出: Result: 8
    }
}

Java 8 中的這些內(nèi)置函數(shù)接口為函數(shù)式編程奠定了基礎(chǔ)，使我們能夠使用 Lambda 表達(dá)式并簡化代碼。由于它們的多功能性，我們可以將它們用于廣泛的應(yīng)用，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到過濾等等。

五、Lambda 表達(dá)式

.解釋

Lambda 表達(dá)式是 Java 8 的一個關(guān)鍵特性，它允許我們以清晰簡潔的方式創(chuàng)建緊湊的匿名函數(shù)，提供了一種以更簡單的形式表示函數(shù)式接口的方法，因此，Lambda 表達(dá)式是 Java 函數(shù)式編程的基石。

Lambda 表達(dá)式的一般語法如下：

() -> {}

Lambda 包含三個部分：

• () 代表入?yún)ⅲ硎?Lambda 函數(shù)的輸入?yún)?shù)，多個參數(shù)用逗號分隔，如果只有一個參數(shù)，括號可以省略；
• -> 代表箭頭運(yùn)算符，它將參數(shù)與 Lambda 表達(dá)式的主體分開；
• {} 代表主體，它包含函數(shù)邏輯，如果只有一條語句，大括號可以省略；

主體只有一條語句的 Lambda 表達(dá)式示例：

Function<String, String> toUpper = s -> s == null ? null : s.toUpperCase();

上述示例中，因為只有一個參數(shù)，所以 () 被省略了，因為主體只有一語句，所以 {} 被省略了。

主體包含多條語句的 Lambda 表達(dá)式示例：

IntToLongFunction factorial =
    n -> {
      int result = 0L;
      for (int i = 0; i <= n; i++) {
        result += i;
      }
      return result;
    };

上述示例中，因為只有一個參數(shù)，所以 () 被省略了，因為主體包含多條語句，所以 {} 不能被省略。

上述兩個示例，使用 Lambda 表達(dá)式來創(chuàng)建匿名函數(shù)，這使得我們能夠編寫內(nèi)聯(lián)邏輯，而無需額外的類定義。我們可以在需要我們傳遞函數(shù)接口的地方使用這種匿名函數(shù)。

2.工作原理

本文，我們將通過 Lambda 表達(dá)式的 Java 代碼和 JVM 字節(jié)碼的對比來探究 Lambda的內(nèi)部工作原理。

在 Java 中，我們有兩種類型的值：原生類型和對象引用，而 Lambda 顯然不是原生類型，它實際上是一種返回對象引用的特殊表達(dá)式，有人把它叫傳函數(shù)。

接下來，我們用 LambdaTest 測試類來對 num 進(jìn)行加倍操作，并查看其字節(jié)碼作為演示，示例代碼如下：

public class LambdaTest {
    LongFunction<Long> doubleNum = num -> 2 * num;
}

使用 javap -c -p 指令編譯其字節(jié)碼，指令如下：

javap -c -p LambdaTest.class

指令執(zhí)行結(jié)果如下：

Compiled from "LambdaTest.java"
public class com.yuanjava.LambdaTest {
    java.util.function.LongFunction<java.lang.Long> doubleNum;

  public com.yuanjava.LambdaTest();
    Code:
    0: aload_0
    1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
    4: aload_0
    5: invokedynamic #2,  0              // InvokeDynamic #0:apply:()Ljava/util/function/LongFunction;
    10: putfield      #3                  // Field doubleNum:Ljava/util/function/LongFunction;
    13: return

    private static java.lang.Long lambda$new$0(long);
    Code:
    0: ldc2_w        #4                  // long 2l
    3: lload_0
    4: lmul
    5: invokestatic  #6                  // Method java/lang/Long.valueOf:(J)Ljava/lang/Long;
    8: areturn
}

從上面的字節(jié)碼可以看出它是以invokedynamic 調(diào)用開頭，整個過程分析如下：

(1) 編譯：Java 編譯器并沒有為 Lambda 生成新的匿名內(nèi)部類，而是使用了 Java 7 中引入的 invokedynamic 技術(shù)；

(2) InvokeDynamic：invokedynamic 指令支持 JVM 上的動態(tài)語言，它可以將 JVM 對 Lambda 實例的創(chuàng)建推遲到運(yùn)行階段，與傳統(tǒng)的匿名內(nèi)部類相比，這提供了更大的靈活性和效率。

(3) Lambda Metafactory：當(dāng) JVM 在運(yùn)行時遇到 invokedynamic 指令，它會調(diào)用一個名為 LambdaMetafactory.metafactory() 的特殊方法，此方法負(fù)責(zé)創(chuàng)建 Lambda 表達(dá)式的實際實現(xiàn)。JVM 會使用此元工廠方法生成表示 Lambda 的輕量級類或方法句柄。

(4) 創(chuàng)建實例：LambdaMetafactory 會動態(tài)創(chuàng)建 Lambda 表達(dá)式的實例：

• 如果 Lambda 是無狀態(tài)的（它不會從封閉作用域捕獲任何變量），則此實例通常是單例。
• 如果 Lambda 捕獲變量，它將使用這些捕獲的值創(chuàng)建一個新實例。

(5) 運(yùn)行：運(yùn)行 Lambda 表達(dá)式，就如同實現(xiàn)函數(shù)接口的匿名內(nèi)部類的實例一樣，JVM 會確保 Lambda 符合預(yù)期函數(shù)接口的單一抽象方法。

六、Lambda和函數(shù)式接口的關(guān)系

上文，我們分析了函數(shù)式接口以及 Lambda，那么兩者存在什么關(guān)系呢？

在編程語言中，lambda 表達(dá)式和函數(shù)式接口通常在一起使用，尤其在支持函數(shù)式編程的語言中（比如 Java 和 Python）。它們之間的關(guān)系可以通過以下幾點來理解：

• Lambda 表達(dá)式是一種語法通常較為簡潔的匿名函數(shù)，即沒有名稱的函數(shù)，它可以用來簡潔地表示一個函數(shù)或方法。
• 函數(shù)式接口是一個只包含一個抽象方法的接口，這種接口可以有多個默認(rèn)方法或靜態(tài)方法，但只能有一個抽象方法。
• 函數(shù)式接口的主要目的是用作 Lambda 表達(dá)式的目標(biāo)類型。
• 在 Java 中，Lambda 表達(dá)式可以被賦值給一個函數(shù)式接口的引用
• Lambda 表達(dá)式通過實現(xiàn)函數(shù)式接口的抽象方法，將行為作為參數(shù)傳遞，從而實現(xiàn)了函數(shù)式編程的理念

總結(jié)來說，Lambda 表達(dá)式提供了一種簡潔的方法來定義匿名函數(shù)，而函數(shù)式接口提供了一種目標(biāo)類型，使得這些匿名函數(shù)可以被類型安全地傳遞和使用，兩者的結(jié)合在現(xiàn)代編程中極大地促進(jìn)了函數(shù)式編程的應(yīng)用。

總結(jié)

在本文中，我們學(xué)習(xí)了什么是函數(shù)式接口以及如何定義函數(shù)式接口，接著我們分析了 lambda 表達(dá)式及其內(nèi)部工作原理。

函數(shù)式編程和 lambda 表達(dá)式可以為我們的代碼帶來新的優(yōu)雅和效率，所以建議日常開發(fā)中可以多多實操，享受它給我們帶來的便捷。