Java中怎么支持函數式編程

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Java一直是面向對象的語言，一切皆對象，如果想要調用一個函數，函數必須屬于一個類或對象，然后在使用類或對象進行調用。但是在其它的編程語言中，如JS、C++，我們可以直接寫一個函數，然后在需要的時候進行調用，既可以說是面向對象編程，也可以說是函數式編程。從功能上來看，面向對象編程沒什么不好的地方，但是從開發的角度來看，面向對象編程會多寫很多可能是重復的代碼行。比如創建一個Runnable的匿名類的時候：

Runnable runnable = new Runnable() {     @Override     public void run() {         System.out.println("do something...");     } };

這一段代碼中真正有用的只有run方法中的內容，剩余的部分都是屬于Java編程語言的結構部分，沒什么用，但是要寫。幸運的是Java  8開始，引入了函數式編程接口與Lambda表達式，幫助我們寫更少更優雅的代碼：

// 一行即可 Runnable runnable = () -> System.out.println("do something...");

現在主流的編程范式主要有三種，面向過程、面向對象和函數式編程。

函數式編程并非一個很新的東西，早在50多年前就已經出現了。近幾年，函數式編程越來越被人關注，出現了很多新的函數式編程語言，比如Clojure、Scala、Erlang等。一些非函數式編程語言也加入了很多特性、語法、類庫來支持函數式編程，比如Java、Python、Ruby、JavaScript等。除此之外，Google  Guava也有對函數式編程的增強功能。

函數式編程因其編程的特殊性，僅在科學計算、數據處理、統計分析等領域，才能更好地發揮它的優勢，所以它并不能完全替代更加通用的面向對象編程范式。但是作為一種補充，它也有很大存在、發展和學習的意義。

什么是函數式編程

函數式編程的英文翻譯是Functional Programming。

那到底什么是函數式編程呢?實際上，函數式編程沒有一個嚴格的官方定義。嚴格上來講，函數式編程中的“函數”，并不是指我們編程語言中的“函數”概念，而是指數學“函數”或者“表達式”(例如：y=f(x))。不過，在編程實現的時候，對于數學“函數”或“表達式”，我們一般習慣性地將它們設計成函數。所以，如果不深究的話，函數式編程中的“函數”也可以理解為編程語言中的“函數”。

每個編程范式都有自己獨特的地方，這就是它們會被抽象出來作為一種范式的原因。面向對象編程最大的特點是：以類、對象作為組織代碼的單元以及它的四大特性。面向過程編程最大的特點是：以函數作為組織代碼的單元，數據與方法相分離。那函數式編程最獨特的地方又在哪里呢?實際上，函數式編程最獨特的地方在于它的編程思想。函數式編程認為程序可以用一系列數學函數或表達式的組合來表示。函數式編程是程序面向數學的更底層的抽象，將計算過程描述為表達式。不過，這樣說你肯定會有疑問，真的可以把任何程序都表示成一組數學表達式嗎?

理論上講是可以的。但是，并不是所有的程序都適合這么做。函數式編程有它自己適合的應用場景，比如科學計算、數據處理、統計分析等。在這些領域，程序往往比較容易用數學表達式來表示，比起非函數式編程，實現同樣的功能，函數式編程可以用很少的代碼就能搞定。但是，對于強業務相關的大型業務系統開發來說，費勁吧啦地將它抽象成數學表達式，硬要用函數式編程來實現，顯然是自討苦吃。相反，在這種應用場景下，面向對象編程更加合適，寫出來的代碼更加可讀、可維護。

再具體到編程實現，函數式編程跟面向過程編程一樣，也是以函數作為組織代碼的單元。不過，它跟面向過程編程的區別在于，它的函數是無狀態的。何為無狀態?簡單點講就是，函數內部涉及的變量都是局部變量，不會像面向對象編程那樣，共享類成員變量，也不會像面向過程編程那樣，共享全局變量。函數的執行結果只與入參有關，跟其他任何外部變量無關。同樣的入參，不管怎么執行，得到的結果都是一樣的。這實際上就是數學函數或數學表達式的基本要求。舉個例子：

// 有狀態函數: 執行結果依賴b的值是多少，即便入參相同， // 多次執行函數，函數的返回值有可能不同，因為b值有可能不同。 int b; int increase(int a) {   return a + b; }  // 無狀態函數：執行結果不依賴任何外部變量值 // 只要入參相同，不管執行多少次，函數的返回值就相同 int increase(int a, int b) {   return a + b; }

不同的編程范式之間并不是截然不同的，總是有一些相同的編程規則。比如不管是面向過程、面向對象還是函數式編程，它們都有變量、函數的概念，最頂層都要有main函數執行入口，來組裝編程單元(類、函數等)。只不過，面向對象的編程單元是類或對象，面向過程的編程單元是函數，函數式編程的編程單元是無狀態函數。

Java對函數式編程的支持

實現面向對象編程不一定非得使用面向對象編程語言，同理，實現函數式編程也不一定非得使用函數式編程語言。現在，很多面向對象編程語言，也提供了相應的語法、類庫來支持函數式編程。

Java這種面向對象編程語言，對函數式編程的支持可以通過一個例子來描述：

public class Demo {   public static void main(String[] args) {     Optional<Integer> result = Stream.of("a", "be", "hello")             .map(s -> s.length())             .filter(l -> l <= 3)             .max((o1, o2) -> o1-o2);     System.out.println(result.get()); // 輸出2   } }

這段代碼的作用是從一組字符串數組中，過濾出長度小于等于3的字符串，并且求得這其中的最大長度。

Java為函數式編程引入了三個新的語法概念：Stream類、Lambda表達式和函數接口(Functional  Inteface)。Stream類用來支持通過“.”級聯多個函數操作的代碼編寫方式;引入Lambda表達式的作用是簡化代碼編寫;函數接口的作用是讓我們可以把函數包裹成函數接口，來實現把函數當做參數一樣來使用(Java  不像C那樣支持函數指針，可以把函數直接當參數來使用)。

Stream類

假設我們要計算這樣一個表達式：(3-1)*2+5。如果按照普通的函數調用的方式寫出來，就是下面這個樣子：

add(multiply(subtract(3,1),2),5);

不過，這樣編寫代碼看起來會比較難理解，我們換個更易讀的寫法，如下所示：

subtract(3,1).multiply(2).add(5);

在Java中，“.”表示調用某個對象的方法。為了支持上面這種級聯調用方式，我們讓每個函數都返回一個通用的Stream類對象。在Stream類上的操作有兩種：中間操作和終止操作。中間操作返回的仍然是Stream類對象，而終止操作返回的是確定的值結果。

再來看之前的例子，對代碼做了注釋解釋。其中map、filter是中間操作，返回Stream類對象，可以繼續級聯其他操作;max是終止操作，返回的不是Stream類對象，無法再繼續往下級聯處理了。

public class Demo {   public static void main(String[] args) {     Optional<Integer> result = Stream.of("f", "ba", "hello") // of返回Stream<String>對象             .map(s -> s.length()) // map返回Stream<Integer>對象             .filter(l -> l <= 3) // filter返回Stream<Integer>對象             .max((o1, o2) -> o1-o2); // max終止操作：返回Optional<Integer>     System.out.println(result.get()); // 輸出2   } }

Lambda表達式

前面提到Java引入Lambda表達式的主要作用是簡化代碼編寫。實際上，我們也可以不用Lambda表達式來書寫例子中的代碼。我們拿其中的map函數來舉例說明。

下面三段代碼，第一段代碼展示了map函數的定義，實際上，map函數接收的參數是一個Function接口，也就是函數接口。第二段代碼展示了map函數的使用方式。第三段代碼是針對第二段代碼用Lambda表達式簡化之后的寫法。實際上，Lambda表達式在Java中只是一個語法糖而已，底層是基于函數接口來實現的，也就是第二段代碼展示的寫法。

// Stream類中map函數的定義： public interface Stream<T> extends BaseStream<T, Stream<T>> {   <R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);   //...省略其他函數... }  // Stream類中map的使用方法示例： Stream.of("fo", "bar", "hello").map(new Function<String, Integer>() {   @Override   public Integer apply(String s) {     return s.length();   } });  // 用Lambda表達式簡化后的寫法： Stream.of("fo", "bar", "hello").map(s -> s.length());

Lambda表達式包括三部分：輸入、函數體、輸出。表示出來的話就是下面這個樣子：

(a, b) -> { 語句1；語句2；...; return 輸出; } //a,b是輸入參數

實際上，Lambda表達式的寫法非常靈活。上面給出的是標準寫法，還有很多簡化寫法。比如，如果輸入參數只有一個，可以省略 ()，直接寫成  a->{…};如果沒有入參，可以直接將輸入和箭頭都省略掉，只保留函數體;如果函數體只有一個語句，那可以將{}省略掉;如果函數沒有返回值，return語句就可以不用寫了。

Optional<Integer> result = Stream.of("f", "ba", "hello")         .map(s -> s.length())         .filter(l -> l <= 3)         .max((o1, o2) -> o1-o2);          // 還原為函數接口的實現方式 Optional<Integer> result2 = Stream.of("fo", "bar", "hello")         .map(new Function<String, Integer>() {           @Override           public Integer apply(String s) {             return s.length();           }         })         .filter(new Predicate<Integer>() {           @Override           public boolean test(Integer l) {             return l <= 3;           }         })         .max(new Comparator<Integer>() {           @Override           public int compare(Integer o1, Integer o2) {             return o1 - o2;           }         });

Lambda表達式與匿名類的異同集中體現在以下三點上：

• Lambda就是為了優化匿名內部類而生，Lambda要比匿名類簡潔的多得多。

• Lambda僅適用于函數式接口，匿名類不受限。

• 即匿名類中的this是“匿名類對象”本身;Lambda表達式中的this是指“調用Lambda表達式的對象”。

函數接口

實際上，上面一段代碼中的Function、Predicate、Comparator都是函數接口。我們知道，C語言支持函數指針，它可以把函數直接當變量來使用。

但是，Java沒有函數指針這樣的語法。所以它通過函數接口，將函數包裹在接口中，當作變量來使用。實際上，函數接口就是接口。不過，它也有自己特別的地方，那就是要求只包含一個未實現的方法。因為只有這樣，Lambda表達式才能明確知道匹配的是哪個方法。如果有兩個未實現的方法，并且接口入參、返回值都一樣，那Java在翻譯Lambda表達式的時候，就不知道表達式對應哪個方法了。

函數式接口也是Java interface的一種，但還需要滿足：

• 一個函數式接口只有一個抽象方法(single abstract method);

• Object類中的public abstract method不會被視為單一的抽象方法;

• 函數式接口可以有默認方法和靜態方法;

• 函數式接口可以用@FunctionalInterface注解進行修飾。

滿足這些條件的interface，就可以被視為函數式接口。例如Java 8中的Comparator接口：

@FunctionalInterface public interface Comparator<T> {     /**      * single abstract method      * @since 1.8      */     int compare(T o1, T o2);      /**      * Object類中的public abstract method       * @since 1.8      */     boolean equals(Object obj);      /**      * 默認方法      * @since 1.8      */     default Comparator<T> reversed() {         return Collections.reverseOrder(this);     }           /**      * 靜態方法      * @since 1.8      */     public static <T extends Comparable<? super T>> Comparator<T> reverseOrder() {         return Collections.reverseOrder();     }      //省略... }

函數式接口有什么用呢?一句話，函數式接口帶給我們最大的好處就是：可以使用極簡的lambda表達式實例化接口。為什么這么說呢?我們或多或少使用過一些只有一個抽象方法的接口，比如Runnable、ActionListener、Comparator等等，比如我們要用Comparator實現排序算法，我們的處理方式通常無外乎兩種：

• 規規矩矩的寫一個實現了Comparator接口的Java類去封裝排序邏輯。若業務需要多種排序方式，那就得寫多個類提供多種實現，而這些實現往往只需使用一次。

• 另外一種聰明一些的做法無外乎就是在需要的地方搞個匿名內部類，比如：

public class Test {      public static void main(String args[]) {          List<Person> persons = new ArrayList<Person>();         Collections.sort(persons, new Comparator<Person>(){             @Override             public int compare(Person o1, Person o2) {                 return Integer.compareTo(o1.getAge(), o2.getAge());             }         });     }  }

匿名內部類實現的代碼量沒有多到哪里去，結構也還算清晰。Comparator接口在Jdk  1.8的實現增加了FunctionalInterface注解，代表Comparator是一個函數式接口，使用者可放心的通過lambda表達式來實例化。那我們來看看使用lambda表達式來快速new一個自定義比較器所需要編寫的代碼：

Comparator<Person> comparator = (p1, p2) -> Integer.compareTo(p1.getAge(), p2.getAge());

-> 前面的 () 是Comparator接口中compare方法的參數列表，-> 后面則是compare方法的方法體。

下面將Java提供的Function、Predicate這兩個函數接口的源碼，摘抄如下：

@FunctionalInterface public interface Function<T, R> {     R apply(T t);  // 只有這一個未實現的方法      default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) {         Objects.requireNonNull(before);         return (V v) -> apply(before.apply(v));     }      default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {         Objects.requireNonNull(after);         return (T t) -> after.apply(apply(t));     }      static <T> Function<T, T> identity() {         return t -> t;     } }  @FunctionalInterface public interface Predicate<T> {     boolean test(T t); // 只有這一個未實現的方法      default Predicate<T> and(Predicate<? super T> other) {         Objects.requireNonNull(other);         return (t) -> test(t) && other.test(t);     }      default Predicate<T> negate() {         return (t) -> !test(t);     }      default Predicate<T> or(Predicate<? super T> other) {         Objects.requireNonNull(other);         return (t) -> test(t) || other.test(t);     }      static <T> Predicate<T> isEqual(Object targetRef) {         return (null == targetRef)                 ? Objects::isNull                 : object -> targetRef.equals(object);     } }

@FunctionalInterface注解使用場景

我們知道，一個接口只要滿足只有一個抽象方法的條件，即可以當成函數式接口使用，有沒有 @FunctionalInterface  都無所謂。但是jdk定義了這個注解肯定是有原因的，對于開發者，該注解的使用一定要三思而后續行。

如果使用了此注解，再往接口中新增抽象方法，編譯器就會報錯，編譯不通過。換句話說，@FunctionalInterface  就是一個承諾，承諾該接口世世代代都只會存在這一個抽象方法。因此，凡是使用了這個注解的接口，開發者可放心大膽的使用Lambda來實例化。當然誤用  @FunctionalInterface  帶來的后果也是極其慘重的：如果哪天你把這個注解去掉，再加一個抽象方法，則所有使用Lambda實例化該接口的客戶端代碼將全部編譯錯誤。

特別地，當某接口只有一個抽象方法，但沒有用 @FunctionalInterface  注解修飾時，則代表別人沒有承諾該接口未來不增加抽象方法，所以建議不要用Lambda來實例化，還是老老實實的用以前的方式比較穩妥。

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