Lambda表达式与函数式接口

2019-08-02

Java

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Lambda表达式Java函数式接口

都9012年了，这篇博文代码看看5000年前4012年发布的Java 8新引入的Lambda表达式到底是个什么鬼。

简述Lambda表达式

Lambda表达式并不是Java 8特有的特性，其设计初衷是用于一些特定代码中，已知固定入参和固定返回值的时候，动态生成的一种函数。

举个栗子：

public Var3 func(Var1 var1, Var2 var2) {
Var3 var3 = doSomeThing(var1, var2);
return var3;
}

上述代码是我们常见的Java代码格式，假如说我们已经设定这个函数只会被在特定位置被调用，或者换种说法，我们假设func函数仅仅只会作为func2(Var3 var3)的入参。同时如果我们把func这个函数的声明放到func2的入参时声明，那此时我们此时调用时，其实这个函数是叫func还是叫funcA还是叫ABCD已经无所谓了。

因此我们就可以省略这个函数名，将其替换成->，由此将上述函数省略为：

Var3 (Var1 var1, Var2 var2) -> {
Var3 var3 = doSomeThing(var1, var2);
return var3;
}

接下来由于我们已知func2(Var3 var3)的入参肯定为Var3类型，所以上述代码又可以进一步省略：

(Var1 var1, Var2 var2) -> {
Var3 var3 = doSomeThing(var1, var2);
return var3;
}

同理由于我们已知func的入参类型肯定为Var1和Var2，于是我们继续省略：

(var1, var2) -> {
Var3 var3 = doSomeThing(var1, var2);
return var3;
}

然后由于我们如果整个函数内部只有一行操作的话，则可以知道这个操作的返回值肯定是这一行的操作结果，因此我们继续省略：

1	(var1, var2) -> doSomeThing(var1, var2);

最后，假如我们初始函数是：

1
2
3

Var3 (Var1 var1) -> {
return var1.doSomeThing();
}

在我们简写成上述常见的表达式之后：

1	var1 -> var1.doSomeThing();

由于我们知道入参只有一个，并且操作就是调用这个参数的一个子方法，而且这个入参叫做var1还是ABCD都无所谓，这个时候我们就可以极致缩写：

1	Var1::doSomeThing()

意味着对这个表达式的入参直接调用Var1类的doSomeThing，然后将结果返回。

到此，整个Lambda写法的产生原因我们就已经知道了，不理解的可以重新回看整个缩写过程。

注意这里的推理过程是所有支持Lambda表达式的开发语言通用的精简思路，之后切换语言遇到Lambda表达式，我们需要用同样的思路面对。

实不相瞒，上述简化过程我就是在Python教程中知道的。

Java中Lambda表达式的好处

在我们Java 8之前，我们可能暂时还没有体会到Lambda表达式的好处，但是Java 8新引入的Stream和Optional这两个类，让Java 8引入Lambda表达式成为一种趋势。

继续举个栗子，假如我们现在有一个多层级的对象，我们需要获取其最底层的一个字段时，使用Optional类可以比较方便的判定，相关教程见我另一个帖子《Optional工具类》。

这里我们先不要发散，假如我们使用Optional取一个中间可能存在null的多层级对象时，假设我们现在还不知道Lambda表达式这个东西，而是单纯使用Optional所有方法提供的入参直接暴力实现，那么最后的代码如下：


package com.main;

import org.junit.Test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Optional;
import java.util.function.Consumer;
import java.util.function.Function;

public class MainFunc {

    public class Test1 {
        private Test2 test2;

        public Test2 getTest2() {
            return test2;
        }

        public void setTest2(Test2 test2) {
            this.test2 = test2;
        }
    }

    public class Test2 {
        private List<Test3> test3;

        public List<Test3> getTest3() {
            return test3;
        }

        public void setTest3(List<Test3> test3) {
            this.test3 = test3;
        }
    }

    public class Test3 {
        private String str;

        public String getStr() {
            return str;
        }

        public void setStr(String str) {
            this.str = str;
        }
    }

    @Test
    public void test4() {
        Test1 test1 = new Test1();
        Test2 test2 = new Test2();
        test1.setTest2(test2);
        List<Test3> list = new ArrayList<>();
        list.add(new Test3());
        test2.setTest3(list);
        String str = "123";
        str.concat("456");
        list.get(0).setStr(str);
        Optional<String> opt = Optional.ofNullable(test1).map(new Function<Test1, Test2>() {
            @Override
            public Test2 apply(Test1 test1) {
                return test1.getTest2();
            }
        }).map(new Function<Test2, List<Test3>>() {
            @Override
            public List<Test3> apply(Test2 test2) {
                return test2.getTest3();
            }
        }).map(new Function<List<Test3>, Test3>() {
            @Override
            public Test3 apply(List<Test3> list) {
                return list != null && list.size() > 0 ? list.get(0) : null;
            }
        }).map(new Function<Test3, String>() {
            @Override
            public String apply(Test3 test3) {
                return test3.getStr();
            }
        });
        if (opt.isPresent()) {
            System.out.println(opt.get());
        }
    }
}

整段代码中，由于我们按照Optional.map的要求，通过实现Fuction接口函数，并且重写其apply函数，从而实现业务诉求。但是这种实现方式阅读费力，并且撰写辛苦，而所有map中实质的操作却仅仅只有一行，这种代码既不优雅，也不是我们引入Optional的初衷。

在这种情况下，我们使用Lambda表达式替代上述代码中test4的实现：

@Test
public void test4() {
    Test1 test1 = new Test1();
    Test2 test2 = new Test2();
    test1.setTest2(test2);
    List<Test3> list = new ArrayList<>();
    list.add(new Test3());
    test2.setTest3(list);
    String str = "123";
    str.concat("456");
    list.get(0).setStr(str);
    if (opt.isPresent()) {
        System.out.println(opt.get());
    }
    Optional<String> opt = Optional.ofNullable(test1)
            .map(t1 -> t1.getTest2())
            .map(t2 -> t2.getTest3())
            .map(t3List -> t3List != null && t3List.size() > 0 ? t3List.get(0) : null)
            .map(t3 -> t3.getStr());
    if (opt.isPresent()) {
        System.out.println(opt.get());
    }
}

最后是极致简写方法：

@Test
public void test4() {
    Test1 test1 = new Test1();
    Test2 test2 = new Test2();
    test1.setTest2(test2);
    List<Test3> list = new ArrayList<>();
    list.add(new Test3());
    test2.setTest3(list);
    String str = "123";
    str.concat("456");
    list.get(0).setStr(str);
    if (opt.isPresent()) {
        System.out.println(opt.get());
    }
    Optional<String> opt = Optional.ofNullable(test1)
            .map(Test1::getTest2)
            .map(Test2::getTest3)
            .map(test3 -> test3 != null && test3.size() > 0 ? test3.get(0) : null)
            .map(Test3::getStr);
    if (opt.isPresent()) {
        System.out.println(opt.get());
    }
}

整个实现上瞬间清爽很多，并且代码量非常少。

Java中Lambda的实现原理

其实在上述代码优化过程中，从最开始直接在map方法中实现函数接口，到直接替换成Lambda表达式，我们省略了一个推导步骤：

首先尝试将函数接口的实现抽出去：

@Test
public void test4() {
    Test1 test1 = new Test1();
    Test2 test2 = new Test2();
    test1.setTest2(test2);
    List<Test3> list = new ArrayList<>();
    list.add(new Test3());
    test2.setTest3(list);
    String str = "123";
    str.concat("456");
    list.get(0).setStr(str);
    Function<Test1, Test2> func1 = new Function<Test1, Test2>() {
        @Override
        public Test2 apply(Test1 test1) {
            return test1.getTest2();
        }
    };
    Function<Test2, List<Test3>> func2 = new Function<Test2, List<Test3>>() {
        @Override
        public List<Test3> apply(Test2 test2) {
            return test2.getTest3();
        }
    };
    Function<List<Test3>, Test3> func3 = new Function<List<Test3>, Test3>() {
        @Override
        public Test3 apply(List<Test3> list) {
            return list != null && list.size() > 0 ? list.get(0) : null;
        }
    };
    Function<Test3, String> func4 = new Function<Test3, String>() {
        @Override
        public String apply(Test3 test3) {
            return test3.getStr();
        }
    };
    Optional<String> opt = Optional.ofNullable(test1).map(func1).map(func2).map(func3).map(func4);
    if (opt.isPresent()) {
        System.out.println(opt.get());
    }
}

然后我们有已经知道map中实际是可以直接填Lambda表达式的，这里我们尝试将Lambda表达式赋值给func1、func2、func3、func4：

@Test
public void test4() {
    Test1 test1 = new Test1();
    Test2 test2 = new Test2();
    test1.setTest2(test2);
    List<Test3> list = new ArrayList<>();
    list.add(new Test3());
    test2.setTest3(list);
    String str = "123";
    str.concat("456");
    list.get(0).setStr(str);
    Function<Test1, Test2> func1 = Test1::getTest2;
    Function<Test2, List<Test3>> func2 = Test2::getTest3;
    Function<List<Test3>, Test3> func3 = (l) -> l != null && l.size() > 0 ? l.get(0) : null;
    Function<Test3, String> func4 = Test3::getStr;
    Optional<String> opt = Optional.ofNullable(test1).map(func1).map(func2).map(func3).map(func4);
    if (opt.isPresent()) {
        System.out.println(opt.get());
    }
}

OK，到这里，我们可以发现发现所谓Lambda表达式，实际上就是自己帮你实现了一个函数式接口而已，这部分实现过程由Java 8之前你来完成，优化到了编译器自己完成，从而实现了代码上的优雅。

这里我们引申一下，在Java中，函数接口有 3 条重要法则：

一个函数接口只有一个抽象方法。
在 Object 类中属于公共方法的抽象方法不会被视为单一抽象方法。
函数接口可以有默认方法和静态方法。

任何满足单一抽象方法法则的接口，都会被自动视为函数接口。这包括 Runnable 和 Callable 等传统接口，以及您自己构建的自定义接口。

上述三原则引用自《Java 8 习惯用语，第 7 部分 —— 函数接口》

接下来，让我开始尝试看看Java编译器（JDK）再给我们编译Lambda表达式时做了哪些优化动作。

Java1.8引入的新函数式接口

所有函数式接口见java.util.function包，这里只挑取几个典型的。

Consumer接口：提供一个void accept(T t);函数，一般我们的函数只有一个入参，没有返回值时，可以实现该接口

Function接口：提供一个R apply(T t);函数，一般我们只有一个入参，同时有返回值时，可以实现该接口，标准的最常用的函数式接口

Predicate接口：提供一个boolean test(T t);函数，一般我们需要对入参做一些判断时，可以实现该接口，Stream.filter的入参就是该接口的实现类。

Supplier接口：提供一个T get();函数，如果函数没有入参，只有返回值，譬如我们的JavaBean中的get方法，可以实现该接口。

Java编译器自动优化实现函数接口

由上我们已知，其实Java 8中带来的Lambda表达式，就是一种能够减少我们实现接口函数的语法糖，Java能够通过我们的返回值，讲一个Lambda表达式合理的转换成一个函数接口的实现。

在了解其本质之后，我们甚至可以自己定义一个接口函数用于接收一个Lambda表达式：

package com.main;

import org.junit.Test;

public class MainFunc {

    @FunctionalInterface
    private interface FI<N> {
        void run(N n);
    };

    private void showFi(FI<String> n) {
        n.run("showFi");
    }

    @Test
    public void test4() {
        showFi(s -> System.out.println(s));
    }
}

java编译器的实现是一种动态实现，不受函数接口的接口名或者其抽象方法的名称的限制，由此我们也说java中的Lambda表达式是一种动态语言类型。

Java编译器对动态函数的优化

如果我们希望一窥JDK8在编译过程中，如何实现通过阅读反编译之后的class的代码进行查阅，指令为javap -v -p YourClass.class > yourRecordFile，整个函数的编译结果如下：

public void test4();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
RuntimeVisibleAnnotations:
0: #16()
Code:
stack=4, locals=6, args_size=1
0: new #17 // class com/main/MainFunc$Test1
3: dup
4: aload_0
5: invokespecial #19 // Method com/main/MainFunc$Test1."<init>":(Lcom/main/MainFunc;)V
8: astore_1
9: new #22 // class com/main/MainFunc$Test2
12: dup
13: aload_0
14: invokespecial #24 // Method com/main/MainFunc$Test2."<init>":(Lcom/main/MainFunc;)V
17: astore_2
18: aload_1
19: aload_2
20: invokevirtual #25 // Method com/main/MainFunc$Test1.setTest2:(Lcom/main/MainFunc$Test2;)V
23: new #29 // class java/util/ArrayList
26: dup
27: invokespecial #31 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
30: astore_3
31: aload_3
32: new #32 // class com/main/MainFunc$Test3
35: dup
36: aload_0
37: invokespecial #34 // Method com/main/MainFunc$Test3."<init>":(Lcom/main/MainFunc;)V
40: invokeinterface #35, 2 // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
45: pop
46: aload_2
47: aload_3
48: invokevirtual #41 // Method com/main/MainFunc$Test2.setTest3:(Ljava/util/List;)V
51: ldc #45 // String 123
53: astore 4
55: aload 4
57: ldc #47 // String 456
59: invokevirtual #49 // Method java/lang/String.concat:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
62: pop
63: aload_3
64: iconst_0
65: invokeinterface #55, 2 // InterfaceMethod java/util/List.get:(I)Ljava/lang/Object;
70: checkcast #32 // class com/main/MainFunc$Test3
73: aload 4
75: invokevirtual #59 // Method com/main/MainFunc$Test3.setStr:(Ljava/lang/String;)V
78: aload_1
79: invokestatic #63 // Method java/util/Optional.ofNullable:(Ljava/lang/Object;)Ljava/util/Optional;
82: invokedynamic #72, 0 // InvokeDynamic #0:apply:()Ljava/util/function/Function;
87: invokevirtual #73 // Method java/util/Optional.map:(Ljava/util/function/Function;)Ljava/util/Optional;
90: invokedynamic #77, 0 // InvokeDynamic #1:apply:()Ljava/util/function/Function;
95: invokevirtual #73 // Method java/util/Optional.map:(Ljava/util/function/Function;)Ljava/util/Optional;
98: invokedynamic #78, 0 // InvokeDynamic #2:apply:()Ljava/util/function/Function;
103: invokevirtual #73 // Method java/util/Optional.map:(Ljava/util/function/Function;)Ljava/util/Optional;
106: invokedynamic #79, 0 // InvokeDynamic #3:apply:()Ljava/util/function/Function;
111: invokevirtual #73 // Method java/util/Optional.map:(Ljava/util/function/Function;)Ljava/util/Optional;
114: astore 5
116: aload 5
118: invokevirtual #80 // Method java/util/Optional.isPresent:()Z
121: ifeq 138
124: getstatic #84 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
127: aload 5
129: invokevirtual #90 // Method java/util/Optional.get:()Ljava/lang/Object;
132: checkcast #50 // class java/lang/String
135: invokevirtual #93 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
138: return

此时我们就不难发现，其实这里我们的4个lambda表达式编译结果对应的字节码指令为invokedynamic，这也就意味着在我们只有将lambda表达式的返回值赋值给一个函数接口的时候，他的类型才能够给动态识别，由此实现了lambda表达式的动态绑定。

由此lambda的外衣也就扒的差不多了，如果文中有什么表达或者理解错误的，欢迎指正。

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