Java基础之函数式接口

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.

“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

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

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。

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。

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 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

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));
    }
}

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。

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 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。

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));
    }
}

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()));
    }
}

3.3 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

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

默认方法negate实现逻辑关系中的“非”。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);  
    }
}

3.4 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));
    }
}

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。

Function的前置条件泛型和后置条件泛型可以相同。