Java函数式编程详解

Java从1.8以后引入了函数式编程，这是很大的一个改进。函数式编程的优点在提高编码的效率，增强代码的可读性。本文历时两个多月一点点写出来，即作为心得，亦作为交流。

1.Java函数式编程的语法：

使用Consumer作为示例，它是一个函数式接口，包含一个抽象方法accept，这个方法只有输入而无输出也就是说这个方法无返回值。 
现在我们要定义一个Consumer接口的实例化对象，传统的方式是这样定义的：

public static void main(String[] args) {
        //JDK1.8版本之前的做法
        Consumer con = new Consumer() {
            @Override
            public void accept(Integer t) {
                System.out.println(t);
            }
        };
        //调用方法
        con.accept(3);
    }

这里可以打印出3.

上面是JDK1.8以前的做法，在1.8以后引入函数式的编程可以这样写：

public static void main(String[] args) {
        //第一种写法:
        Consumer con = (param) -> {System.out.println(param);}; 
        //第二种写法:
        Consumer con1 = (param) -> System.out.println(param);
        //第三种写法:
        Consumer con2 = System.out::println;
        
        con2.accept(3);
    }

上面的con、con1、con2这个Consumer对象的引用照样可以打印出3.

在上面的第二种写法是第一种写法的精简，但是只有在函数题中只有一条语句时才可以这么使用，做进一步的简化。

在上面的第三种写法是对第一、二种写法的进一步精简，由于第三种写法只是进行打印，调用了System.out中的println静态方法对输入参数直接进行打印。它表示的意思就是针对输入的参数将其调用System.out中的静态方法println进行打印。

上面已说明，函数式编程接口都只有一个抽象方法，因此在采用这种写法时，编译器会将这段函数编译后当作该抽象方法的实现。 
如果接口有多个抽象方法，编译器就不知道这段函数应该是实现哪个方法的了。 
因此，=  后面的函数体我们就可以看成是accept函数的实现。

输入：-> 前面的部分，即被()包围的部分。此处只有一个输入参数，实际上输入是可以有多个的，如两个参数时写法：(a, b);当然也可以没有输入，此时直接就可以是()。
函数体：->后面的部分，即被{}包围的部分；可以是一段代码。
输出：函数式编程可以没有返回值，也可以有返回值。如果有返回值时，需要代码段的最后一句通过return的方式返回对应的值。但是Consumer这个函数式接口不能有具体的返回值。

Java 8 中我们可以通过 `::` 关键字来访问类的构造方法，对象方法，静态方法。

好了，到这一步就可以感受到函数式编程的强大能力。 
通过最后一段代码，我们可以简单的理解函数式编程，Consumer接口直接就可以当成一个函数了，这个函数接收一个输入参数，然后针对这个输入进行处理；当然其本质上仍旧是一个对象，但我们已经省去了诸如老方式中的对象定义过程，直接使用一段代码来给函数式接口对象赋值。 
而且最为关键的是，这个函数式对象因为本质上仍旧是一个对象，因此可以做为其它方法的参数或者返回值，可以与原有的代码实现无缝集成！

2.Java函数式接口

java.util.function.Consumer;
java.util.function.Function;
java.util.function.Predicate;

2.1 Consumer是一个函数式编程接口； 顾名思义，Consumer的意思就是消费，即针对某个东西我们来使用它，因此它包含有一个有输入而无输出（无返回值）的accept接口方法； 
除accept方法，它还包含有andThen这个方法； 

JDK源码定义如下：

default Consumer andThen(Consumer after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };

 }

andThen这个方法是作用是：指定在调用当前Consumer后是否还要调用其它的Consumer； 

public static void main(String[] args) {
        //定义第一个Consumer
        Consumer consumer1 = (param) -> {System.out.println(param);};
        
        //定义第二个Consumer
        Consumer consumer2 = (param) -> {System.out.println(param * param);};
        
        //consumer1可以连续的调用自己
        //consumer1.andThen(consumer1).andThen(consumer1).accept(3);
        //打印出 3 3 3
        
        //consumer1可以调用自己后调用consumer2
        consumer1.andThen(consumer1).andThen(consumer2).accept(3);
        //打印出3 3 9
    }

注意：当一个Consumer接口调用另外一个Consumer对象时两个Counsumer对象的泛型必须一致。

2.2  Function也是一个函数式编程接口；它代表的含义是“函数”，它是个接受一个参数并生成结果的函数，而函数经常是有输入输出的，因此它含有一个apply方法，包含一个输入与一个输出； 
除apply方法外，它还有compose与andThen及indentity三个方法，其使用见下述示例；

apply的用法：

public static void main(String[] args) {
        Function fun = res -> res + 1；
        Integer  i = fun.apply(2)；
        System.out.println(i);
}

上面打印出2。

Function编程接口有两个泛型Function T表示：函数的输入类型，R表示：函数的输出类型。

compose的用法：

JDK源码定义：

default Function compose(Function before) {
        Objects.requireNonNull(before);
        return (V v) -> apply(before.apply(v));

 }

public static void main(String[] args) {
        Function fun = res -> res + 1;
        Function fun1 = res -> res * 10;
        Integer i = (Integer) fun.compose(fun1).apply(2);
        System.out.println(i);
}

上面打印出21；

上面表示了fun2接收到2以后先计算，然后将fun2计算的结果再交给fun再计算。

andThen方法的用法：

JDK源码定义：

default Function andThen(Function after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> after.apply(apply(t));

 }

public static void main(String[] args) {
        Function fun = res -> res + 1;
        Function fun1 = res -> res * 10;
        Integer i = (Integer) fun.andThen(fun1).apply(3);
        System.out.println(i);
 }

上面打印出40

上面表示了fun先计算得到4，然后将计算结果4再给fun1计算得到40；

indentity方法的用法：

JDK源码定义：

static Function identity() {
        return t -> t;
 }

public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Function.identity().apply("总分"));

 }

上面打印出“总分“；就是说传入什么参数输出什么参数。

2.3 Predicate为函数式接口，predicate的中文意思是“断定”，即判断的意思，判断某个东西是否满足某种条件； 因此它包含test方法，根据输入值来做逻辑判断，其结果为True或者False。 

test方法的用法：

JDK源码定义： boolean test(T t);

public static void main(String[] args) {
        Predicate pre = res -> res.equals("1234");
        boolean rest = pre.test("1234");
        System.out.println(rest);
 }

上面打印出true。

and方法的用法：

JDK源码定义：

default Predicate and(Predicate other) {
        Objects.requireNonNull(other);
        return (t) -> test(t) && other.test(t);
 }

public static void main(String[] args) {
        Predicate pre = res -> res.equals("1234");
        Predicate pre1 = res -> res.equals("1234");
        Predicate pre3 = res -> res.equals("1234");
        boolean rest = pre.and(pre1).test("1234");
        boolean rest1 = pre.and(pre1).test("12341");
        System.out.println(rest);
        System.out.println(rest1); 

}
上面先打印出true，后打印出false

根据源码，"1234"先和pre比较，如果为true，再和pre1比较。不为true直接返回false，不再和pre1比较。当“1234”和pre比较后为true，再和pre1比较结果为true，所以最终返回true。

negate()的用法：

JDK源码定义：

default Predicate negate() {
        return (t) -> !test(t);
 }

public static void main(String[] args) {
        Predicate pre = res -> res.equals("1234");
        boolean rest = pre.negate().test("1234");
        System.out.println(rest);
}

上面打印出false，上面的意思是如果比较的结果是true，那么返回false，如果为false，就返回true。

or的方法的用法：

JDK源码定义：

default Predicate or(Predicate other) {
        Objects.requireNonNull(other);
        return (t) -> test(t) || other.test(t);
}

public static void main(String[] args) {
        Predicate pre = res -> res.equals("1234");
        Predicate pre1 = res -> res.equals("12341");
        boolean rest = pre.or(pre1).test("12341");
        System.out.println(rest);
 }

上面打印出true；

or方法的意思是：只要一个为true就返回true。

isEqual方法用法：

JDK源码定义：

static Predicate isEqual(Object targetRef) {
        return (null == targetRef)
                ? Objects::isNull
                : object -> targetRef.equals(object);
 }

public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Predicate.isEqual("12345").test("12345"));

}

上面打印出true；isEqual里的参数是要比较的目标对象。

3.函数式编程接口的使用

通过Stream以及Optional两个类，可以进一步利用函数式接口来简化代码。

3.1 Stream

Stream可以对多个元素进行一系列的操作，也可以支持对某些操作进行并发处理。

3.1.1 Stream对象的创建

Stream对象的创建途径有以下几种：

a. 创建空的Stream对象

Stream str = Stream.empty();

b. 通过集合类中的stream或者parallelStream方法创建；

List list = Arrays.asList("a", "b", "c", "d");
Stream listStream = list.stream(); //获取串行的Stream对象
Stream parallelListStream = list.parallelStream(); //获取并行的Stream对象  

c. 通过Stream中的of方法创建：

Stream s = Stream.of("test");

Stream s1 = Stream.of("a", "b", "c", "d");

d. 通过Stream中的iterate方法创建： 
    iterate方法有两个不同参数的方法：

public static Stream iterate(final T seed, final UnaryOperator f);  
public static Stream iterate(T seed, Predicate hasNext, UnaryOperator next)
其中第一个方法将会返回一个无限有序值的Stream对象：它的第一个元素是seed，第二个元素是f.apply(seed); 第N个元素是f.apply(n-1个元素的值)；生成无限值的方法实际上与Stream的中间方法类似，在遇到中止方法前一般是不真正的执行的。因此无限值的这个方法一般与limit等方法一起使用，来获取前多少个元素。 
当然获取前多少个元素也可以使用第二个方法。 
第二个方法与第一个方法生成元素的方式类似，不同的是它返回的是一个有限值的Stream；中止条件是由hasNext来断定的。
第二种方法的使用示例如下：

/**
 * 本示例表示从1开始组装一个序列，第一个是1，第二个是1+1即2，第三个是2+1即3..，直接10时中止；
 * 也可简化成以下形式：
 *        Stream.iterate(1,
 *        n -> n <= 10,
 *        n -> n+1).forEach(System.out::println);
 * 写成以下方式是为简化理解
 */
Stream.iterate(1,
        new Predicate() {
            @Override
            public boolean test(Integer integer) {
                return integer <= 10;
            }
        },
    new UnaryOperator() {
        @Override
        public Integer apply(Integer integer) {
            return integer+1;
        }
}).forEach(System.out::println);

e. 通过Stream中的generate方法创建 
与iterate中创建无限元素的Stream类似，不过它的每个元素与前一元素无关，且生成的是一个无序的队列。也就是说每一个元素都可以随机生成。因此一般用来创建常量的Stream以及随机的Stream等。 
示例如下：

/**
 * 随机生成10个Double元素的Stream并将其打印
 */
Stream.generate(new Supplier() {
    @Override
    public Double get() {
        return Math.random();
    }
}).limit(10).forEach(System.out::println);

//上述写法可以简化成以下写法：
Stream.generate(() -> Math.random()).limit(10).forEach(System.out::println);

f. 通过Stream中的concat方法连接两个Stream对象生成新的Stream对象 
这个比较好理解不再赘述。

3.1.2 Stream对象的使用
Stream对象提供多个非常有用的方法，这些方法可以分成两类： 
中间操作：将原始的Stream转换成另外一个Stream；如filter返回的是过滤后的Stream。 
终端操作：产生的是一个结果或者其它的复合操作；如count或者forEach操作。

其清单如下所示，方法的具体说明及使用示例见后文。 
所有中间操作：

所有的终端操作：

下面就几个比较常用的方法举例说明其用法：

3.1.2.1 filter
用于对Stream中的元素进行过滤，返回一个过滤后的Stream 
其方法定义如下：

Stream filter(Predicate predicate);

使用示例：

Stream s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa");
//查找所有包含t的元素并进行打印
s.filter(n -> n.contains("t")).forEach(System.out::println);

3.1.2.2 map
元素一对一转换。 
它接收一个Funcation参数，用其对Stream中的所有元素进行处理，返回的Stream对象中的元素为Function对原元素处理后的结果 
其方法定义如下：

Stream map(Function mapper);

示例，假设我们要将一个String类型的Stream对象中的每个元素添加相同的后缀.txt，如a变成a.txt，其写法如下：

Stream s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa");
s.map(n -> n.concat(".txt")).forEach(System.out::println);

3.1.2.3 flatMap
元素一对多转换：对原Stream中的所有元素使用传入的Function进行处理，每个元素经过处理后生成一个多个元素的Stream对象，然后将返回的所有Stream对象中的所有元素组合成一个统一的Stream并返回； 
方法定义如下：

Stream flatMap(Function> mapper);

示例，假设要对一个String类型的Stream进行处理，将每一个元素的拆分成单个字母，并打印：

Stream s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa");
s.flatMap(n -> Stream.of(n.split(""))).forEach(System.out::println);

3.1.2.4 takeWhile
方法定义如下：

default Stream takeWhile(Predicate predicate)

如果Stream是有序的（Ordered），那么返回最长命中序列（符合传入的Predicate的最长命中序列）组成的Stream；如果是无序的，那么返回的是所有符合传入的Predicate的元素序列组成的Stream。 
与Filter有点类似，不同的地方就在当Stream是有序时，返回的只是最长命中序列。 
如以下示例，通过takeWhile查找”test”, “t1”, “t2”, “teeeee”, “aaaa”, “taaa”这几个元素中包含t的最长命中序列：

Stream s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa", "taaa");
//以下结果将打印： "test", "t1", "t2", "teeeee"，最后的那个taaa不会进行打印 
s.takeWhile(n -> n.contains("t")).forEach(System.out::println);

3.1.2.5 dropWhile
与takeWhile相反，如果是有序的，返回除最长命中序列外的所有元素组成的Stream；如果是无序的，返回所有未命中的元素组成的Stream;其定义如下：

default Stream dropWhile(Predicate predicate)

如以下示例，通过dropWhile删除”test”, “t1”, “t2”, “teeeee”, “aaaa”, “taaa”这几个元素中包含t的最长命中序列：

Stream s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa", "taaa");
//以下结果将打印："aaaa", "taaa" 　
s.dropWhile(n -> n.contains("t")).forEach(System.out::println);

3.1.2.6 reduce与collect
关于reduce与collect由于功能较为复杂，在后续将进行单独分析与学习，此处暂不涉及。

3.2 Optional用于简化Java中对空值的判断处理，以防止出现各种空指针异常。 
Optional实际上是对一个变量进行封装，它包含有一个属性value，实际上就是这个变量的值。

3.2.1 Optional对象创建
它的构造函数都是private类型的，因此要初始化一个Optional的对象无法通过其构造函数进行创建。它提供了一系列的静态方法用于构建Optional对象:

3.2.1.1 empty
用于创建一个空的Optional对象；其value属性为Null。 
如：

Optional o = Optional.empty();

3.2.1.2 of
根据传入的值构建一个Optional对象; 
传入的值必须是非空值，否则如果传入的值为空值，则会抛出空指针异常。 
使用：

o = Optional.of("test"); 
1
3.2.1.3 ofNullable
根据传入值构建一个Optional对象 
传入的值可以是空值，如果传入的值是空值，则与empty返回的结果是一样的。

3.2.2 方法
Optional包含以下方法：

3.2.3 使用场景
常用的使用场景如下：

3.2.3.1 判断结果不为空后使用
如某个函数可能会返回空值，以往的做法：

String s = test();
if (null != s) {
    System.out.println(s);
}

现在的写法就可以是：

Optional s = Optional.ofNullable(test());
s.ifPresent(System.out::println);

乍一看代码复杂度上差不多甚至是略有提升；那为什么要这么做呢？ 
一般情况下，我们在使用某一个函数返回值时，要做的第一步就是去分析这个函数是否会返回空值；如果没有进行分析或者分析的结果出现偏差，导致函数会抛出空值而没有做检测，那么就会相应的抛出空指针异常！ 
而有了Optional后，在我们不确定时就可以不用去做这个检测了，所有的检测Optional对象都帮忙我们完成，我们要做的就是按上述方式去处理。

3.2.3.2 变量为空时提供默认值
如要判断某个变量为空时使用提供的值，然后再针对这个变量做某种运算； 
以往做法：

if (null == s) {
    s = "test";
}
System.out.println(s);

现在的做法：

Optional o = Optional.ofNullable(s);
System.out.println(o.orElse("test"));

3.2.3.3 变量为空时抛出异常，否则使用
以往写法：

if (null == s) {
    throw new Exception("test");
}
System.out.println(s);

现在写法：

Optional o = Optional.ofNullable(s);
System.out.println(o.orElseThrow(()->new Exception("test")));