Java进阶【函数式接口】

第一章 函数式接口

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1.1 概念

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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

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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

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与@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

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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！"));
	}
}

第二章 函数式编程

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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。

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2.1 Lambda的延迟执行

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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"和"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 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

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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。

第三章 常用函数式接口

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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

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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

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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

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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

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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

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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

与and的“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and和or方法一样：

import java.util.function.Predicate;

public class Demo17PredicateNegate {
	private static void method(Predicate<String> predicate) { 
		boolean veryLong = predicate.negate().test("HelloWorld"); 
		System.out.println("字符串很长吗：" + veryLong);
	}
	
	public static void main(String[] args) { 
		method(s ‐> s.length() < 5);
	}
}

3.6 练习：集合信息筛选

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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

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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

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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);
	}
}