什么是函數(shù)式接口

Lambda表達(dá)式，相信大家都耳有所聞，而且不少小伙伴在日常的工作中也在使用。但說到函數(shù)式接口，可能有一些即使會(huì)使用Lambda表達(dá)式的小伙伴也會(huì)覺得陌生。今天，指北君就將帶領(lǐng)大家對(duì)Lambda、及其所使用的一些和函數(shù)式接口相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)全面的學(xué)習(xí)。函數(shù)式接口所涉及的知識(shí)點(diǎn)包含：java.util.function包，@FunctoinInterface注解，Lambda表達(dá)式，雙冒號(hào)操作符。同時(shí)，我們還將對(duì)函數(shù)式接口的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行深入的剖析。

概述

函數(shù)式接口將分為三個(gè)篇章來為大家介紹：

• （應(yīng)用篇一）（1）函數(shù)式接口的來源，（2）Lambda表達(dá)式，（3）雙冒號(hào)運(yùn)算符
• （應(yīng)用篇二）（4）詳細(xì)介紹@FunctionInterface注解（5）對(duì)java.util.function包進(jìn)行解讀
• （原理篇）介紹函數(shù)式接口的實(shí)現(xiàn)原理 應(yīng)用篇將階段相關(guān)的JDK源碼以及給出典型的示例代碼 原理篇?jiǎng)t從編譯、JVM維度來分析函數(shù)式接口的實(shí)現(xiàn)原理，具有一定深度，需要讀者具備一定的底層知識(shí)。

說明：源碼使用的版本為JDK-11.0.11

什么是函數(shù)式接口

【閱讀導(dǎo)引】：本節(jié)為概念性知識(shí)，純技術(shù)向伙伴可跳過

在分析具體內(nèi)容之前，指北君帶領(lǐng)大家來對(duì)函數(shù)式接口做個(gè)基本的認(rèn)知。函數(shù)式接口是JAVA語言為引入函數(shù)式編程而增加的特性，也即是說函數(shù)式接口式Java實(shí)現(xiàn)函數(shù)式編程的具體方式。那么，函數(shù)式編程到底是什么？他和面向?qū)ο缶幊逃钟惺裁搓P(guān)系？它能為我們帶來什么？我們又是否真的需要函數(shù)式編程？有很多小伙伴，可能和指北君一樣，是以面向?qū)ο笳Z言開啟的編程世界的，對(duì)于函數(shù)式編程其實(shí)很陌生。所以，指北君在這里先給大家引薦編程界的三大流派（當(dāng)然還有別的流派）：過程式，函數(shù)式，對(duì)象式：

編程范式

函數(shù)式編程的思想脫胎于數(shù)學(xué)理論，也就是我們通常所說的λ演算（λ-calculus）。這也是為什么Java8中引入的函數(shù)式編程叫Lambda表達(dá)式的原因吧。如同數(shù)學(xué)中的函數(shù)一樣，函數(shù)式編程范式中的函數(shù)有獨(dú)特的特性，也就是通常說的無狀態(tài)或引用透明性。一個(gè)函數(shù)的輸出由且僅由其輸入決定，同樣的輸入永遠(yuǎn)會(huì)產(chǎn)生同樣的輸出。

函數(shù)式編程的定義："函數(shù)式編程是一種編程范式。它把計(jì)算當(dāng)成是數(shù)學(xué)函數(shù)的求值，從而避免改變狀態(tài)和使用可變數(shù)據(jù)。它是一種聲明式的編程范式，通過表達(dá)式和聲明而不是語句來編程。" 函數(shù)式編程的代碼通常更加簡潔，但是不一定易懂。

近年來，隨著多核平臺(tái)和并發(fā)計(jì)算的發(fā)展，函數(shù)式編程的無狀態(tài)特性，在處理這些問題時(shí)有著其他編程范式不可比擬的天然優(yōu)勢(shì)。這種發(fā)展也就進(jìn)一步促使了Java引入函數(shù)式編程這一特性。

一個(gè)簡單示例

指北君先給大家展示一個(gè)簡單的函數(shù)式編程的示例：

/**
   * 簡單的函數(shù)式編程示例
   */
  public static void lambdaDemo1() {
    // 準(zhǔn)備測(cè)試數(shù)據(jù)
    Integer[] data = new Integer[] {1, 2, 3};
    List< Integer > list = Arrays.asList(data);
    
    // 簡單示例：轉(zhuǎn)換單位并打印數(shù)據(jù)
    list.forEach(x - > System.out.println(String.format("Cents into Yuan: %.2f", x/100.0)));
  }

不熟悉Lambda表達(dá)式的小伙伴可能會(huì)好奇其中的語句：x -> System.out.println(String.format("Cents into Yuan: %.2f", x/100.0))，這是什么呢？這就是我們的Lambda表達(dá)式。通常，我們要訪問List對(duì)象，需要通過for、while等控制循環(huán)語句，并在循環(huán)中完成相關(guān)工作。有了函數(shù)式編程后，我們就可以使用Lambda表達(dá)式來完成對(duì)應(yīng)的功能，是不是很簡潔！小伙伴們可能會(huì)奇怪，難道Lambda自動(dòng)做了循環(huán)？當(dāng)然不是，這里的循環(huán)控制并沒有減少，只是在forEach方法中而已。我們打開默認(rèn)的迭代器forEach實(shí)現(xiàn)方法（ArrayList的forEach實(shí)現(xiàn)有差異，總體邏輯一致），代碼顯示forEach循環(huán)，并在循環(huán)中執(zhí)行參數(shù)的函數(shù)邏輯。

default void forEach(Consumer< ? super T > action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (T t : this) {
            action.accept(t);
        }
    }

既然沒有省略控制邏輯，難道我們費(fèi)這么大的力氣引入這個(gè)東東就只是為了簡潔點(diǎn)？指北君畫了一下調(diào)用邏輯，參見下圖

從上圖中大家是不是隱約可以看出：這種方式可以將控制部分和業(yè)務(wù)處理部分進(jìn)行解耦，業(yè)務(wù)處理代碼更容易集中。

我們?cè)诜治鰂orEach源碼的時(shí)候，看到forEach的參數(shù)類型為Consumer,打開Consumer源碼（主要接口聲明部分）：

@FunctionalInterface
public interface Consumer< T > {
  ...
}

小伙伴們是不是發(fā)現(xiàn)這就是一個(gè)簡單的接口，接口使用了@FunctionInterface的接口，這是不是對(duì)Lambda表達(dá)式使用位置的約束呢？這個(gè)問題我們將在接下來的幾個(gè)章節(jié)給出答案。

Lambda表達(dá)式

在示例部分，指北君展示了在Java中如何Lambda進(jìn)行函數(shù)式編程，小伙伴們是不是躍躍欲試想要?jiǎng)邮至四?？在?dòng)手之前指北君先帶領(lǐng)大家了全面學(xué)習(xí)Lambda表達(dá)式的語法。下面給出幾種常見的Lambda代碼片段（代碼僅截取部分，無上下文）：

() - > System.out.println("demo")
    ...
    list.forEach(x - >  System.out.print(x));
    ...
    map.forEach((x, y) - > {
      System.out.print(x);
      System.out.println(y);
    });
    ...
    (Integer x, String y) - > System.out.println("x: " + x ", y: " + y);

從上面代碼片段，可以看出Lambda表達(dá)式是通過->操作符來連接的，左邊為參數(shù)部分，右邊為表達(dá)式主體。

Lambda表達(dá)式語法：

1. (parameters)->expression
2. (parameters)->{statements;}

參數(shù)說明：([[type] parameter [, ...]])

• 參數(shù)包括在圓括號(hào)內(nèi)，參數(shù)數(shù)量可以0到多個(gè)，多個(gè)參數(shù)通過逗號(hào)“,”分割，例如(x, y)->
• 參數(shù)類型可明確聲明，也可以省略，省略時(shí)根據(jù)上下文進(jìn)行推斷， 例如：(x)->, (int x)->
• 無參數(shù)，直接使用括號(hào)，例如：()->
• 一個(gè)參數(shù)時(shí)，且參數(shù)類型省略，則括號(hào)可以省略 x->

表達(dá)式主體：

• 由0到多條語句組成
• 只有一條語句時(shí)，語句塊符號(hào)“{}”可省略，此時(shí)語句的結(jié)果將作為返回值，例如：->x*x, ->System.out.print(x)。
• 超過一條語句時(shí)，必須使用語句塊符號(hào)“{}”包含起來。
• 帶return關(guān)鍵字必須用代碼塊，例如：->{return x+x}。

常見的組合形式：

(int a, int b) - > {  return a + b; }

() - > System.out.println("Demo")

(String s) - > { 
  System.out.println(s); 
}

() - > 42

() - > { return 3.1415 };

啟動(dòng)線程

new Thread(
    () - > System.out.println("start in thread.")
).start();

其他的代碼遵循基本的Java語法，小伙伴們現(xiàn)在就可以大展拳腳，試試通過Lambda表達(dá)式進(jìn)行函數(shù)式編程。

雙冒號(hào)操作符

經(jīng)過上一節(jié)的實(shí)踐，小伙伴們是不是很興奮了，可能有些小伙伴會(huì)問，Java類中的的方法也是函數(shù)，我可不可以在傳入Lambda表達(dá)式的地方傳入普通方法呢？類似下面這種效果：

List< String > list = new ArrayList< String >();
    ...
    list.forEach(xxxMethod());

想法是沒有問題的，但是形式錯(cuò)誤了，首先xxxMethod()會(huì)直接觸發(fā)方法執(zhí)行，并且返回的類型也不匹配forEach方法。那么，正確的形式應(yīng)該如何寫呢？這就需要我們的雙冒號(hào)云算法登場(chǎng)了。雙冒號(hào)云算符標(biāo)準(zhǔn)名稱為eta-conversion，有下面四種常用場(chǎng)景

1. 實(shí)例方法引用 object::instanceMethod
2. 靜態(tài)方法引用 Class::staticMethod
3. 實(shí)例方法引用（實(shí)例作為參數(shù)傳入） Class::instanceMethod
4. 構(gòu)造方法引用 Class:new

• 無參數(shù)：Supplier
• 一個(gè)參數(shù)：Function
• 二個(gè)參數(shù)：BiFunction
• 更多：自定義函數(shù)接口

示例代碼

public class FunctionInterfaceInvoke {

  public static void main(String[] args) {
    
    // 1-1 構(gòu)造方法（無參數(shù)），編譯會(huì)做參數(shù)檢查（包含輸入?yún)?shù)和返回值）
    Supplier< FunctionInterfaceInvoke > s = FunctionInterfaceInvoke::new;
    s.get();
    
    //1-2 構(gòu)造方法（1個(gè)參數(shù)）
    IntFunction< FunctionInterfaceInvoke > func = FunctionInterfaceInvoke::new;
    func.apply(1);
    
    // 1-3 構(gòu)造方法（多個(gè)參數(shù)）
    BiFunction< Integer, Integer, FunctionInterfaceInvoke > func2 = FunctionInterfaceInvoke::new;
    func2.apply(1, 2);
    
    // 2 靜態(tài)方法
    Consumer< Integer > sta1 = FunctionInterfaceInvoke::staticMethod;
    sta1.accept(1);
    
    // 3 實(shí)例方法
    IntConsumer sta2 = new FunctionInterfaceInvoke()::instanceMethod;
    sta2.accept(2);

  }

  public FunctionInterfaceInvoke() {
    System.out.println("none parameters");
  }
  
  public FunctionInterfaceInvoke(int p1) {
    System.out.println("constructor whith one parameter: " + p1);
  }
  
  public FunctionInterfaceInvoke(Integer p1, Integer p2) {
    System.out.println(String.format("constructor whith 2 parameters %1s, %2s", p1, p2));
  } 
  
  public static void staticMethod(Integer p1) {
    System.out.println("static method:" + p1);
  }
  
  public void instanceMethod(int p1) {
    System.out.println("instance method:"+p1);
  }
}

小結(jié)

函數(shù)式接口應(yīng)用篇的第一部分就給大家介紹到這里，本篇我們介紹了什么是函數(shù)式編程，一個(gè)簡單示例，Lambda表達(dá)式詳細(xì)說明和雙冒號(hào)操作的使用。下一篇我們將會(huì)繼續(xù)介紹函數(shù)式接口的應(yīng)用，學(xué)習(xí) @FunctionInterface注解和java.util.function包中的接口。