Java的函数式接口

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引言

近年来,Oracle 将 JDK 的更新周期缩短为半年。JDK 的每次更新都带来了新特性,如 JDK 9 的模块化、JDK 10 的局部变量类型推断、JDK 11 的增强版 HttpClient 、JDK 12 的优化版 switch、JDK 13 的文本块、JDK14 的打包工具等。不得不说,这些新特性惹人跃跃欲试。然而,大部分的 Java 项目仍运行在 JDK 8 上,所以学好 Java 8 才是王道。接下来给大家介绍 Java 8 的一项新特性:函数式接口。

函数式接口的定义

函数式接口是只包含一个抽象方法的接口,该抽象方法的签名称作函数式接口的函数描述符。假如函数式接口的函数描述符为 ()->void ,则该接口包含的抽象方法的入参、出参皆为空。

Java 中许多常见的接口都属于函数式接口,如 RunnableCallableComparator等。下面是Runnable接口的定义。由于它只有一个名为 run 的抽象方法,所以属于函数式接口。

@FunctionalInterfacepublic interface Runnable {    public abstract void run();}

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编译器会根据接口的结构自行判断它是否为函数式接口(判断过程并非简单地计算接口包含多少方法,因为接口可能包含超类方法、静态方法或默认方法),但还是建议使用 @FunctionalInterface 注解来声明一个接口是函数式接口:编译器会验证该注解标记的接口是否满足函数式接口的定义。该注解的作用与@Override相似:既增加了代码的可读性,又能强制编译器对被标注的内容进行检查。

函数式接口的作用

谈及 Java 8 ,很多人会想到函数式编程。在函数式编程风格的程序中,除了基本类型和对象引用外,方法也可以作为“一等值”来传递。通过函数式接口和 lambda 表达式的配合使用,Java 实现了传递方法。

函数式接口和 lambda 表达式是如何实现传递方法的?首先探讨一个问题:对于给定的 lambda 表达式,它的类型是什么?答案是:编译器通过上下文所期待的类型(该类型被称作目标类型)来推导 lambda 表达式类型。也就是说,同样的表达式可以拥有不同的类型。在下述代码中,同样的 lambda 表达式分别是 CallablePrivilegedAction 的实例。

Callable<String> c = () -> "done";PrivilegedAction<String> a = () -> "done";

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lambda 表达式只能出现在目标类型为函数式接口的上下文中:lambda 表达式是函数式接口的一个实例。如果方法的形参中存在函数式接口,则可以将 lambda 表达式作为方法的实参。由于 lambda 表达式实现了函数式接口包含的抽象方法,则传递 lambda 表达式就是在传递方法。

根据Runnable接口的定义,它的实例应该是一个入参、出参皆为空的 lambda 表达式。因此下面的代码是有效的,该代码将打印“Hello world”。

public void process(Runnable runnable){    runnable.run();}process(()-> System.out.println("Hello world"));

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函数式接口的分类

java.util.function 中定义了许多新的函数式接口,它们可分为四类:Predicate<T>Supplier<T>Consumer<T>Function<T,R>。此外还有五类常见的变种:BiPredicate<L,R>BiConsumer<T,U>BiFunction<T,U,R>UnaryOperator<T>BinaryOperator<T>

断言型接口Predicate<T>

Predicate<T> 有一个名为 test的抽象方法,该方法接收泛型T,返回boolean

@FunctionalInterfacepublic interface Predicate<T> {    boolean test(T t);}

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下面的getBoolean 方法形参为一个Predicate<Integer>和一个Integer。调用该方法时,传入的 lambda 表达式会判断传入的Integer是否大于 7,所以代码将打印"true"。

public boolean getBoolean(Predicate<Integer> predicate, Integer num){    return predicate.test(num);}System.out.println(getBoolean(x->x>7,9));

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供给型接口Supplier<T>

Supplier<T>有一个名为get的抽象方法,该方法不接收参数,返回一个泛型T

@FunctionalInterfacepublic interface Supplier<T> {    T get();}

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下面的produceData 方法形参为Supplier<String>。调用该方法时,传入的 lambda 表达式会返回"Produce data!",所以代码将打印"Produce data!"。

public String produceData(Supplier<String> supplier){    return supplier.get();}System.out.println(produceData(()->"Produce data!"));

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消费型接口Consumer<T>

Consumer<T>有一个名为accept的抽象方法,该方法接收一个泛型T,没有返回值。

@FunctionalInterfacepublic interface Consumer<T> {    void accept(T t);}

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下面的consumeData 方法形参为一个Consumer<String>和一个String。调用该方法时,传入的 lambda 表达式会打印传入的String,所以代码将打印"Consume data!"。

public void consumeData(Consumer<String> consumer, String str){    consumer.accept(str);}consumeData(i-> System.out.println(i),"Consume data!");

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转换型接口Function<T,R>

Function<T,R>有一个名为apply的抽象方法,它接收一个泛型T,并返回一个泛型R

@FunctionalInterfacepublic interface Function<T,R> {    R apply(T t);}

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下面的transformData 方法形参为一个Function<String,Integer>和一个String。调用该方法时,传入的 lambda 表达式会返回传入的String的长度,所以代码将打印"5"。

public Integer transformData(Function<String,Integer> function, String str){    return function.apply(str);}System.out.println(transformData(s->s.length(), "Hello"));

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常见的变种

Predicate<T>Consumer<T>Function<T,R>的入参数目变为两个,就出现了BiPredicate<L,R>BiConsumer<T,U>BiFunction<T,U,R>Function<T,R>的参数TR两者类型相同时表示为UnaryOperator<T>BiFunction<T,U,R>的参数TUR三者类型相同时表示为BinaryOperator<T>

函数式接口的原始类型特化

由于泛型只能绑定到引用类型,出现了装箱、拆箱的操作。装箱会把原始类型包裹后保存在堆中,因此需要更多的内存。通过函数式接口的原始类型特化,避免了出入参为原始类型时的装箱。

比如IntPredicate接口就是Predicate<T>的一种原始类型特化,它的定义如下。

@FunctionalInterfacepublic interface IntPredicate {    boolean test(int value);}

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下面的getBoolean方法时使用了IntPredicate接口,调用该方法时就避免了装箱,代码将打印“true"。

public boolean getBoolean(IntPredicate predicate, int arg){   return predicate.test(arg);}System.out.println(getBoolean(i->i%2==0, 20));

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如果要对输入参数进行原始类型特化,则在原名称前加上原始类型,如DoubleConsumer。如果要对输出参数进行原始类型特化,则在原名称前加上字符串”To“和原始类型,如ToDoubleFunction<T>

总结

函数式接口是只包含一个抽象方法的接口,该抽象方法的签名称作函数式接口的函数描述符。编译器会根据接口的结构判断它是否为函数式接口,但还是建议通过 @FunctionalInterface 注解标记。编译器在读取到该注解后,会强制检查它标注的内容是否符合函数式接口的定义。

lambda 表达式为函数式接口的抽象方法提供实现, 而 lambda 表达式也可以看作函数式接口的一个实例。如果方法的形参中存在函数式接口,则可以将 lambda 表达式作为方法的实参。通过该机制,Java 实现了传递方法。

java.util.function 中定义了许多新的函数式接口,它们可分为四类:Predicate<T>Supplier<T>Consumer<T>Function<T,R>。此外还有BiPredicate<L,R>BiConsumer<T,U>BiFunction<T,U,R>UnaryOperator<T>BinaryOperator<T>等变种。

原始类型特化可以在参数为原始类型时避免装箱。对入参进行原始类型特化在原名称前加上原始类型,如DoubleConsumer;对出参进行原始类型特化在原名称前加上字符串”To“和原始类型,如ToDoubleFunction<T>。还可以同时对入参、出参进行原始类型特化,如IntToDoubleFunction

附录

Java 8 中的常用函数式接口

参考资料

  1. Raoul-Gabriel Urma, Mario Fusco, Alan Mycroft, 《Java 8 in Action》
  2. Raoul-Gabriel Urma, Mario Fusco, Alan Mycroft, 《Modern Java in Action》
  3. Richard Warburton, 《Java 8 Lambdas: Functional Programming for the Masses》
  4. Ralph Lecessi, 《Functional Interfaces in Java: Fundamentals and Examples》{"type":"doc","content":
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