Java学习笔记(十):函数式接口

1 函数式接口

1.1 概念

函数式接口在Java中是指:有且仅有一个抽象方法的接口。

函数式接口,即适用于函数式编程场景的接口。而Java中的函数式编程体现就是Lambda,所以函数式接口就是可以适用于Lambda使用的接口。只有确保接口中有且仅有一个抽象方法,Java中的Lambda才能顺利地进行推导。

备注:“语法糖”是指使用更加方便,但是原理不变的代码语法。例如在遍历集合时使用的for-each语法,其实底层的实现原理仍然是迭代器,这便是“语法糖”。从应用层面来讲,Java中的Lambda可以被当做是匿名内部类的“语法糖”,但是二者在原理上是不同的。

1.2 格式

只要确保接口中有且仅有一个抽象方法即可:

修饰符 interface 接口名称 {
    public abstract 返回值类型 方法名称(可选参数信息);
    // 其他非抽象方法内容
}

由于接口当中抽象方法的 public abstract 是可以省略的,所以定义一个函数式接口很简单:

public interface MyFunctionalInterface {
    void myMethod();
}

1.3 @FunctionalInterface注解

@Override 注解的作用类似,Java 8中专门为函数式接口引入了一个新的注解: @FunctionalInterface 。该注解可用于一个接口的定义上:

@FunctionalInterface
public interface MyFunctionalInterface {
    void myMethod();
}

一旦使用该注解来定义接口,编译器将会强制检查该接口是否确实有且仅有一个抽象方法,否则将会报错。需要注意的是,即使不使用该注解,只要满足函数式接口的定义,这仍然是一个函数式接口,使用起来都一样。

1.4 自定义函数式接口

对于刚刚定义好的 MyFunctionalInterface函数式接口,典型使用场景就是作为方法的参数:

public class Demo09FunctionalInterface {
    // 使用自定义的函数式接口作为方法参数
    private static void doSomething(MyFunctionalInterface inter) {
        inter.myMethod(); // 调用自定义的函数式接口方法
    } 
    public static void main(String[] args) {
        // 调用使用函数式接口的方法
        doSomething(()> System.out.println("Lambda执行啦!"));
    }
}

2 函数式编程

在兼顾面向对象特性的基础上,Java语言通过Lambda表达式与方法引用等,为开发者打开了函数式编程的大门。

下面我们做一个初探。

2.1 Lambda的延迟执行

有些场景的代码执行后,结果不一定会被使用,从而造成性能浪费。而Lambda表达式是延迟执行的,这正好可以作为解决方案,提升性能。

性能浪费的日志案例

注:日志可以帮助我们快速的定位问题,记录程序运行过程中的情况,以便项目的监控和优化。一种典型的场景就是对参数进行有条件使用,例如对日志消息进行拼接后,在满足条件的情况下进行打印输出:

public class Demo01Logger {
    private static void log(int level, String msg) {
            if (level == 1) {
            System.out.println(msg);
            }
    } 
    public static void main(String[] args) {
        String msgA = "Hello";
        String msgB = "World";
        String msgC = "Java";
        log(1, msgA + msgB + msgC);
    }
}

这段代码存在问题:无论级别是否满足要求,作为 log方法的第二个参数,三个字符串一定会首先被拼接并传入方法内,然后才会进行级别判断。如果级别不符合要求,那么字符串的拼接操作就白做了,存在性能浪费。

备注:SLF4J是应用非常广泛的日志框架,它在记录日志时为了解决这种性能浪费的问题,并不推荐首先进行字符串的拼接,而是将字符串的若干部分作为可变参数传入方法中,仅在日志级别满足要求的情况下才会进行字符串拼接。例如: LOGGER.debug("变量{}的取值为{}。", "os", "macOS"),其中的大括号{}为占位符。如果满足日志级别要求,则会将“os”“macOS”两个字符串依次拼接到大括号的位置;否则不会进行字符串拼接。这也是一种可行解决方案,但Lambda可以做到更好。

体验Lambda的更优写法

使用Lambda必然需要一个函数式接口:

@FunctionalInterface
public interface MessageBuilder {
    String buildMessage();
}

然后对 log 方法进行改造:

public class Demo02LoggerLambda {
    private static void log(int level, MessageBuilder builder) {
        if (level == 1) {
        System.out.println(builder.buildMessage());
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        String msgA = "Hello";
        String msgB = "World";
        String msgC = "Java";
        log(1, ()> msgA + msgB + msgC );
    }
}

这样一来,只有当级别满足要求的时候,才会进行三个字符串的拼接;否则三个字符串将不会进行拼接。

证明Lambda的延迟

下面的代码可以通过结果进行验证:

public class Demo03LoggerDelay {
    private static void log(int level, MessageBuilder builder) {
        if (level == 1) {
        System.out.println(builder.buildMessage());
        }
    } 
    public static void main(String[] args) {
        String msgA = "Hello";
        String msgB = "World";
        String msgC = "Java";
        log(2, ()> {
            System.out.println("Lambda执行!");
            return msgA + msgB + msgC;
        });
    }
}

从结果中可以看出,在不符合级别要求的情况下,Lambda将不会执行。从而达到节省性能的效果。

扩展:实际上使用内部类也可以达到同样的效果,只是将代码操作延迟到了另外一个对象当中通过调用方法来完成。而是否调用其所在方法是在条件判断之后才执行的。

2.2 使用Lambda作为参数和返回值

如果抛开实现原理不说,Java中的Lambda表达式可以被当作是匿名内部类的替代品。如果方法的参数是一个函数式接口类型,那么就可以使用Lambda表达式进行替代。使用Lambda表达式作为方法参数,其实就是使用函数式接口作为方法参数。

例如java.lang.Runnable 接口就是一个函数式接口,假设有一个 startThread 方法使用该接口作为参数,那么就可以使用Lambda进行传参。这种情况其实和 Thread 类的构造方法参数为 Runnable 没有本质区别。

public class Demo04Runnable {
    private static void startThread(Runnable task) {
        new Thread(task).start();
    } 
    public static void main(String[] args) {
        startThread(()> System.out.println("线程任务执行!"));
    }
}

类似地,如果一个方法的返回值类型是一个函数式接口,那么就可以直接返回一个Lambda表达式。当需要通过一个方法来获取一个 java.util.Comparator接口类型的对象作为排序器时,就可以调该方法获取。

import java.util.Arrays;
import java.util.Comparator;

public class Demo06Comparator {
    private static Comparator<String> newComparator() {
        return (a, b)> b.length() ‐ a.length();
    } 

    public static void main(String[] args) {
        String[] array = { "abc", "ab", "abcd" };
        System.out.println(Arrays.toString(array));
        Arrays.sort(array, newComparator());
        System.out.println(Arrays.toString(array));
    }
}

其中直接return一个Lambda表达式即可。

3 常用函数式接口

JDK提供了大量常用的函数式接口以丰富Lambda的典型使用场景,它们主要在java.util.function包中被提供。
下面是最简单的几个接口及使用示例。

3.1 Supplier接口

java.util.function.Supplier<T>接口仅包含一个无参的方法:T get()。用来获取一个泛型参数指定类型的对象数据。由于这是一个函数式接口,这也就意味着对应的Lambda表达式需要“对外提供”一个符合泛型类型的对象数据。

import java.util.function.Supplier;
    public class Demo08Supplier {
        private static String getString(Supplier<String> function) {
        return function.get();
    } 
    public static void main(String[] args) {
        String msgA = "Hello";
        String msgB = "World";
        System.out.println(getString(()> msgA + msgB));
    }
}

3.2 练习:求数组元素最大值

题目

使用Supplier 接口作为方法参数类型,通过Lambda表达式求出int数组中的最大值。提示:接口的泛型请使用java.lang.Integer类。

解答

public class Demo02Test {
    //定一个方法,方法的参数传递Supplier,泛型使用Integer
    public static int getMax(Supplier<Integer> sup){
        return sup.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        int arr[] = {2,3,4,52,333,23};
        //调用getMax方法,参数传递Lambda
        int maxNum = getMax(()>{
        //计算数组的最大值
        int max = arr[0];
        for(int i : arr){
            if(i>max){
            max = i;
            }
        } 
        return max;
        });
        System.out.println(maxNum);
    }
}

3.3 Consumer接口

java.util.function.Consumer<T> 接口则正好与Supplier接口相反,它不是生产一个数据,而是消费一个数据,其数据类型由泛型决定。

抽象方法:accept

Consumer接口中包含抽象方法void accept(T t),意为消费一个指定泛型的数据。基本使用如:

import java.util.function.Consumer;
public class Demo09Consumer {
    private static void consumeString(Consumer<String> function) {
        function.accept("Hello");
    } 

    public static void main(String[] args) {
        consumeString(s ‐> System.out.println(s));
    }
}

当然,更好的写法是使用方法引用。

默认方法:andThen

如果一个方法的参数和返回值全都是Consumer类型,那么就可以实现效果:消费数据的时候,首先做一个操作,然后再做一个操作,实现组合。而这个方法就是 Consumer接口中的default方法 andThen。下面是JDK的源代码:

default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
    Objects.requireNonNull(after);
    return (T t)> { accept(t); after.accept(t); };
}

备注: java.util.Objects 的 requireNonNull 静态方法将会在参数为null时主动抛出NullPointerException 异常。这省去了重复编写if语句和抛出空指针异常的麻烦。

要想实现组合,需要两个或多个Lambda表达式即可,而 andThen的语义正是“一步接一步”操作。例如两个步骤组合的情况:

import java.util.function.Consumer;

public class Demo10ConsumerAndThen {

    private static void consumeString(Consumer<String> one, Consumer<String> two) {
        one.andThen(two).accept("Hello");
    } 
    public static void main(String[] args) {
    consumeString(
        s ‐> System.out.println(s.toUpperCase()),
        s ‐> System.out.println(s.toLowerCase()));
    }
}

运行结果将会首先打印完全大写的HELLO,然后打印完全小写的hello。当然,通过链式写法可以实现更多步骤的
组合。

3.4 练习:格式化打印信息

题目

下面的字符串数组当中存有多条信息,请按照格式“ 姓名:XX。性别:XX。 ”的格式将信息打印出来。要求将打印姓名的动作作为第一个 Consumer 接口的Lambda实例,将打印性别的动作作为第二个 Consumer 接口的Lambda实例,将两个 Consumer接口按照顺序“拼接”到一起。

public static void main(String[] args) {
    String[] array = { "迪丽热巴,女", "古力娜扎,女", "马尔扎哈,男" };
}

解答

import java.util.function.Consumer;

public class DemoConsumer {

    public static void main(String[] args) {
        String[] array = { "迪丽热巴,女", "古力娜扎,女", "马尔扎哈,男" };
        printInfo(s ‐> System.out.print("姓名:" + s.split(",")[0]),
            s ‐> System.out.println("。性别:" + s.split(",")[1] + "。"),
            array);
    } 
    private static void printInfo(Consumer<String> one, Consumer<String> two, String[] array) {
        for (String info : array) {
            one.andThen(two).accept(info); // 姓名:迪丽热巴。性别:女。
        }
    }
}

3.5 Predicate接口

有时候我们需要对某种类型的数据进行判断,从而得到一个boolean值结果。这时可以使用java.util.function.Predicate<T> 接口。

抽象方法:test

Predicate接口中包含一个抽象方法:boolean test(T t)。用于条件判断的场景:

import java.util.function.Predicate;

public class Demo15PredicateTest {

    private static void method(Predicate<String> predicate) {
        boolean veryLong = predicate.test("HelloWorld");
        System.out.println("字符串很长吗:" + veryLong);
    } 
    public static void main(String[] args) {
        method(s ‐> s.length() > 5);
    }
}

条件判断的标准是传入的Lambda表达式逻辑,只要字符串长度大于5则认为很长。

默认方法:and

既然是条件判断,就会存在与、或、非三种常见的逻辑关系。其中将两个 Predicate 条件使用“与”逻辑连接起来实现“并且”的效果时,可以使用default方法 and 。其JDK源码为:

default Predicate<T> and(Predicate<? super T> other) {
    Objects.requireNonNull(other);
    return (t)> test(t) && other.test(t);
}

如果要判断一个字符串既要包含大写“H”,又要包含大写“W”,那么:

import java.util.function.Predicate;

public class Demo16PredicateAnd {
    private static void method(Predicate<String> one, Predicate<String> two) {
    boolean isValid = one.and(two).test("Helloworld");
    System.out.println("字符串符合要求吗:" + isValid);
} 
    public static void main(String[] args) {
        method(s ‐> s.contains("H"), s ‐> s.contains("W"));
    }
}

默认方法:or

and“与”类似,默认方法or 实现逻辑关系中的“或”。JDK源码为:

default Predicate<T> or(Predicate<? super T> other) {
    Objects.requireNonNull(other);
    return (t)> test(t) || other.test(t);
}

如果希望实现逻辑“字符串包含大写H或者包含大写W”,那么代码只需要将“and”修改为“or”名称即可,其他都不变:

import java.util.function.Predicate;

public class Demo16PredicateAnd {
    private static void method(Predicate<String> one, Predicate<String> two) {
        boolean isValid = one.or(two).test("Helloworld");
        System.out.println("字符串符合要求吗:" + isValid);
    }
    public static void main(String[] args) {
    method(s ‐> s.contains("H"), s ‐> s.contains("W"));
    }
}

默认方法:negate

“与”、“或”已经了解了,剩下的“非”(取反)也会简单。默认方法 negate 的JDK源代码为:

default Predicate<T> negate() {
    return (t)> !test(t);
}

从实现中很容易看出,它是执行了test方法之后,对结果boolean值进行“!”取反而已。一定要在 test 方法调用之前调用negate 方法,正如 andor方法一样:

3.6 练习:集合信息筛选

题目

数组当中有多条“姓名+性别”的信息如下,请通过 Predicate 接口的拼装将符合要求的字符串筛选到集合ArrayList 中,需要同时满足两个条件:

  1. 必须为女生;
  2. 姓名为4个字。
public class DemoPredicate {
    public static void main(String[] args) {
        String[] array = { "迪丽热巴,女", "古力娜扎,女", "马尔扎哈,男", "赵丽颖,女" };
    }
}

解答

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.function.Predicate;

public class DemoPredicate {

    public static void main(String[] args) {
        String[] array = { "迪丽热巴,女", "古力娜扎,女", "马尔扎哈,男", "赵丽颖,女" };
        List<String> list = filter(array,
        s ‐> "女".equals(s.split(",")[1]),
        s ‐> s.split(",")[0].length() == 4);
        System.out.println(list);
    } 
    private static List<String> filter(String[] array, Predicate<String> one,
        Predicate<String> two) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for (String info : array) {
            if (one.and(two).test(info)) {
            list.add(info);
            }
        } 
        return list;
    }
}

3.7 Function接口

java.util.function.Function<T,R>接口用来根据一个类型的数据得到另一个类型的数据,前者称为前置条件,后者称为后置条件。

抽象方法:apply

Function 接口中最主要的抽象方法为: R apply(T t) ,根据类型T的参数获取类型R的结果。
使用的场景例如:将 String 类型转换为 Integer 类型。

import java.util.function.Function;
public class Demo11FunctionApply {
    private static void method(Function<String, Integer> function) {
        int num = function.apply("10");
        System.out.println(num + 20);
    }
    public static void main(String[] args) {
        method(s ‐> Integer.parseInt(s));
    }
}

当然,最好是通过方法引用的写法。

默认方法:andThen

Function 接口中有一个默认的 andThen方法,用来进行组合操作。JDK源代码如:

default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
    Objects.requireNonNull(after);
    return (T t)> after.apply(apply(t));
}

该方法同样用于“先做什么,再做什么”的场景,和 Consumer 中的 andThen 差不多:

import java.util.function.Function;
public class Demo12FunctionAndThen {
    private static void method(Function<String, Integer> one, Function<Integer, Integer> two) {
        int num = one.andThen(two).apply("10");
        System.out.println(num + 20);
    } 
    public static void main(String[] args) {
        method(str‐>Integer.parseInt(str)+10, i ‐> i *= 10);
    }
}

第一个操作是将字符串解析成为int数字,第二个操作是乘以10。两个操作通过 andThen 按照前后顺序组合到了一起。

请注意,Function的前置条件泛型和后置条件泛型可以相同。

3.8 练习:自定义函数模型拼接

题目

请使用 Function 进行函数模型的拼接,按照顺序需要执行的多个函数操作为:
String str = "赵丽颖,20";

  1. 将字符串截取数字年龄部分,得到字符串;
  2. 将上一步的字符串转换成为int类型的数字;
  3. 将上一步的int数字累加100,得到结果int数字。

解答

import java.util.function.Function;
public class DemoFunction {
    public static void main(String[] args) {
        String str = "赵丽颖,20";
        int age = getAgeNum(str, s ‐> s.split(",")[1],
        s ‐>Integer.parseInt(s),
        n ‐> n += 100);
        System.out.println(age);
    } 

    private static int getAgeNum(String str, Function<String, String> one,
                                 Function<String, Integer> two,
                                 Function<Integer, Integer> three) {
        return one.andThen(two).andThen(three).apply(str);
    }
}  

本文作者:foochane
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