19.lambda 表达式【Java温故系列】

参考自–《Java核心技术卷1》

1 lambda 表达式简介

lambda 表达式是一个可传递的代码块，可以在以后执行一次或多次。

如下：定制比较器完成数组排序，按长度而不是默认的字典顺序对字符串排序：

class LengthComparator implements Comparator<String>{
    //代码块
	public int compare(String first,String second){
		return first.length()-second.length();
	}
}

Arrays.sort(strings,new LengthComparator());  //strings是数组，LengthComparator为指定的比较器

比较器中的 compare 方法不是立即调用。实际上，在数组完成排序之前，sort 方法会一直调用 compare 方法对数组中两两元素进行比较，只要数组元素的顺序不正确就会重新排列元素。将比较元素所需的代码块放在 sort 方法中，这个代码将与其余的排序逻辑集成（可能你并不打算重新实现其余的这部分逻辑）。

使用 lambda 表达式的情况都有这样的一些特点：将一个代码块传递到某个对象，这个代码块会在将来某个时间调用。

到目前为止，在 Java 中传递一个代码块并不容易，不能直接传递代码块。Java 是一种面向对象语言，所以必须构造一个对象，这个对象的类需要有一个方法能包含所需要的代码块。

lambda 表达式的语法：

如上述的排序比较器代码块：它需要比较一个字符串是否比另一个字符串短

first.length()-second.length();

Java 是一种强类型语言，所以必须指定 first 和 second 的类型：

(String first,String second)
  -> first.length()-second.length();

这就是一个 lambda 表达式。lambda 表达式就是一个代码块，以及必须传入代码的变量规范。

上述是 lambda 表达式的一种表达形式：参数，箭头（->）以及一个表达式。

如果代码要完成的计算无法放在一个表达式中，就可以像写方法一样，将这些代码放在 {} 中，并包含显式的 return 语句：例如

(String first,String second) -> {
	if(first.length()<second.length())
        return -1;
    else if(first.length()>second.length())
        return 1;
    else 
        return 0;
}

即使 lambda 表达式没有参数，也要提供空括号，就像无参数方法一样：

() -> {
	for(int i=10;i>=0;i--){
        System.out.println(i);
    }
}

如果可以推导出一个 lambda 表达式的参数类型，则可以忽略其类型：

Comparator<String> comp
    = (first,second)
    	-> first.length()-second.length();	

在这里，编译器可以推导出 first 和 second 必然是字符串，因为这个 lambda 表达式将赋给一个字符串比较器。

如果方法只有一个参数，而且这个参数的类型可以推导出，那么甚至可以省略小括号（参数）.

另外，无须指定 lambda 表达式的返回类型。它的返回类型总是会由上下文推导得出。

注：如果一个 lambda 表达式只在某些分支返回一个值，而在另外一些分支不返回值，则不合法。如：

(int x) -> {if(x>=0)  return 1;}   //不合法

在程序中加入 lambda 表达式：

public static void main(String[] args){
	String[] planets = new String[]{"Mercury","Venus","Earth","Mars","Jupiter",
                                        "Saturn","Uranus","Neptune"};
    System.out.println(Arrays.toString(planets));
    //默认字典顺序排序
    Arrays.sort(planets);
    System.out.println(Arrays.toString(planets));
    System.out.println("++++++++++++++++++");
    //在比较器中使用lambda表达式，比较字符串长度进行排序
    Arrays.sort(planets,(first,second)->first.length()-second.length());
    System.out.println(Arrays.toString(planets));
}

上述的lambda表达式就是一个 Comparator 接口实例：

Comparator comparator = (first,second)->first.length()-second.length();

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2 函数式接口

Java 中已经有很多封装代码块的接口，如 Comparator 等等，lambda 表达式与这些接口是兼容的。

对于只有一个抽象方法的接口，需要这种接口的对象时，就可以提供一个 lambda 表达式。这种接口称为函数式接口。

注：在 Java SE 8中，接口可以声明非抽象方法。

下面再看看 Arrays.sort(T[] a,Comparator c) 方法。它的第二个参数需要一个 Comparator 实例，Comparator 就是只有一个方法的接口，所以可以提供一个 lambda 表达式：

Arrays.sort(planets,
            (first,second)->first.length()-second.length());

在底层，Arrays.sort() 方法会接收实现了 Comparator 接口的某个类的对象。在这个对象上调用 compare 方法会执行这个 lambda 表达式的体。这些对象和类的管理完全取决于具体实现，与使用传统的内联类相比，这样可能要高效得多。最好把 lambda 表达式看作是一个函数，而不是一个对象，另外要接受 lambda 表达式可以传递到函数式接口。

lambda 表达式可以转换为接口，这一点让 lambda 表达式很有吸引力。具体的语法也很简短。

例如：计时器的实现中，第一个参数为delay延迟时间（毫秒），第二个参数为 ActionListener 接口的实现

//每个一段时间打印当前时间
Timer t = new Timer(1000,event -> {
	System.out.println(new Date());
});
t.start();
//弹出组件
JOptionPane.showMessageDialog(null,"Quit?");
System.exit(0);

上述语句中，编译器执行完 Timer 后创建一个定时器，每隔 1 秒打印一次当前时间，然后等待 JOptionPane.showMessageDialog(null,"Quit?"); 语句执行结束（即对弹出窗口进行操作完毕后），执行 exit(0) 退出程序。

上述通过 lambda 表达式实现 ActionListener 接口要比实现ActionListener 接口的类的代码可读性好得多。

通过实现ActionListener 接口的类完成上述定时器：

//实现ActionListener接口的类
public class TimePrinter implements ActionListener {
    @Override
    public void actionPerformed(ActionEvent e) {
        System.out.println("new Time: "+new Date());
    }
}

public class TimerTest {
    //接口回调
    public static void main(String[] args){
        ActionListener listener = new TimePrinter();
        Timer t = new Timer(1000,listener);
        t.start();
        JOptionPane.showMessageDialog(null,"Quit?");
        System.exit(0);
    }
}

实际上，在 Java 中，对 lambda 表达式所能做的也只是能转换为函数式接口。在其他支持函数字面量的程序设计语言中，可以声明函数类型（如(String,String)->int）、声明这些类型的变量，还可以使用变量保存函数表达式。不过，Java 还是保持着接口概念，没有增加函数类型。

注：甚至不能把 lambda 表达式赋给类型为 Object 的变量，Object 不是一个函数式接口。

了解： Java API 在 java.util.function 包中定义了很多非常通用的函数式接口。比如其中一个接口 BiFunction 描述了参数类型为 T,U而且返回类型为 R 的函数。如：

BiFunction<String,String,Integer> comp
    = (first,second) -> first.length()-second.length();

java.util.function 有一个尤其有用的接口 Predicate：

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

在 ArrayList 类有一个 removeIf 方法，它的参数就是一个 Predicate ，这个接口专门用来传递 lambda 表达式：

list.removeIf(e -> e == null);

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3 方法引用

有时，可能已经有现成的方法可以完成你想要传递到其他代码的某个动作。例如，假设每隔一段时间打印定时器事件对象，可以调用：

Timer t = new Timer(1000,event -> {
	System.out.println(event);
});

但是，如果直接把 println 方法传递到 Timer 构造器就更好了：

Timer t = new Timer(1000,System.out::println);

上述表达式 System.out::println 是一个方法引用，它等价于 lambda 表达式 x -> System.out.println(x)

System.out::println 的使用：

Consumer<String> con = System.out::println;
con.accept("123456");   //打印出 123456

再看，若对字符串排序（按字典顺序），而不考虑字母的大小写，可以传递如下的方法表达式：

Arrays.sort(strings,String::compareToIgnoreCase);

用 :: 分隔方法名与对象或类名，主要分3种情况：

• object::instanceMethod 对象的实例方法（没有static的就是实例方法）
• Class::staticMethod 类的静态方法
• Class::instanceMethod 类的实例方法

对于前两种情况，方法引用等价于提供方法参数的 lambda 表达式。如 System.out::println 等价于 x -> System.out.println(x) ，类似的，Math::pow 等价于 (x,y) -> Math.pow(x,y) .

对于第三种情况，第一个参数会成为方法的目标参数。例如：String::compareToIgnoreCase 等价于 (x,y) -> x.compareToIgnoreCase(y) .

注：如果有多个同名的重载方法，编译器就会尝试从上下文中找出需要的方法。例如，Math.max 方法就有两个版本，一个用于整数，一个用于 double 值。选择哪个版本的方法取决于 Math::max 转换为哪个函数式接口的方法参数。类似于 lambda 表达式，方法引用不能独立存在，总会转换为函数式接口的实例。

方法引用中也可以使用 this 参数，例如：this::equals 等价于 x->this.equals(x) 。

同时，方法引用也可以使用 super 关键字，其表达式如：super::instanceMethod 调用超类的实例方法

//超类
class Greeter{
	public void greet(){
        System.out.println("hello world");
    }
}
//子类
class TimeGreeter extends Greeter{
    public void greet(){
        Timer t = new Timer(1000,super::greet);
        t.start();
    }
}

TimeGreeter.greet 方法开始执行时，首先会创建一个 Timer，它会在每次定时器过 1 秒后执行 super::greet 方法，而这个方法会调用超类的 greet 方法

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4 构造器引用

构造器引用与方法引用类似，只不过方法名为 new。例如，Person::new 是 Person 构造器的一个引用。而此过程中引用哪一个构造器取决为上下文。

构造器引用示例：

//Employee类
public class Employee{
	private String name;
    private double salary;
    
    public Employee() {
    }

    public Employee(String name) {
        this.name = name;
    }
    
    public Employee(String name,double salary) {
        this.name = name;
        this.salary = salary;
    } 
}

//通过lambda创建Employee对象
public class test{
    public static void main(String[] args) {
        //无参构造
    	Supplier<Employee> lam = ()->new Employee();
        //带一个参数的构造方法
        Function<String,Employee> lam1 = (x)->new Employee(x);
        //带两个参数的构造方法
        BiFunction<String, Double,Employee> lam2 = (x, y)->new Employee(x,y);
        //使用lambda表示的构造器方法创建Employee对象
        Employee e0 = lam.get();
        Employee e1 = lam1.apply("zs");
        Employee e2 = lam2.apply("lisi",100.0);
    }
}

public class test{
    public static void main(String[] args) {
        //通过构造引用创建Employee对象
        //无参构造
		Supplier<Employee> fun0 = Employee::new;
        //带一个参数的构造方法
		Function<String,Employee> fun1 = Employee::new;
        //带两个参数的构造方法
		BiFunction<String, Double,Employee> fun2 = Employee::new;
		Employee e0 = fun0.get();
		Employee e1 = fun1.apply("zs");
		Employee e2 = fun2.apply("lisi",100.0);
        
        //对象的实例方法引用
        Supplier<String> fun = e1::getName;
        //通过方法引用的形式获取
        String name = fun.get();   //zs
    }
}

数组的构造器引用：

public static void main(String[] args){
	//lambda表达式
    Function<Integer,String[]> lam = (x) -> new String[x];
    //创建长度为10的数组
    String[] arr1 = lam.apply(10);
        
    //构造器调用
    Function<Integer,String[]> fun = String[]::new;
    String[] arr2 = fun.apply(10);
}

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5 变量作用域

lambda 表达式是如何获取外围方法或类中的变量呢？lambda 表达式共有3部分：

1）1段代码块

2）参数

3）自由变量的值，指的是非参数而且不在代码块中定义的变量

看看下面这个例子：

public static void repeatMessage(String text,int delay){
	ActionListener listener = event -> {
        System.out.println(text);
    };
    new Timer(delay,listener).start();
}

调用上述定义的方法：

repeatMessage("hello",1000);   //每隔1秒打印一次"hello"

上述例子中，lambda 有一个自由变量 text（值为"hello"）。我们可以把一个lambda表达式看作包含一个方法的对象，自由变量就是这个对象的实例变量。

在 lambda 表达式中获取外围作用域中的变量有一个重要的限制：在 lambda 表达式中，只能引用值不会改变的变量（即 lambda 表达式引用的变量无论在 lambda 中或者 lambda 表达式外部都不能发生改变）。

规则：lambda 表达式捕获引用的变量必须实际上是最终变量（即此变量初始化之后就不会再为它赋新值）。

其次，lambda 表达式的体与嵌套块（语句块）有相同的作用域，那么就需要注意命名冲突的问题：

String first = "abc";
Comparator<String> comparator = (first,second)->first.length()-second.length();
//error：lambda表达式中声明了一个与外部局部变量同名的参数

在 lambda 表达式中使用 this 关键字时，是指创建这个 lambda 表达式的方法的 this 参数：

public class Application(){
	public void init(){
        ActionListener listener = event -> {
            System.out.println(this.toString());
            ...
        }
    }
}

this.toString() 会调用 Application 对象的 toString 方法。

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6 处理 lambda 表达式

使用 lambda 表达式的重点是延迟执行。毕竟，如果想要立即执行代码，完全可以直接执行，而不需要包装在一个 lambda 表达式中。延迟执行代码块的原因有很多：

• 在一个单独的线程中运行代码
• 多次运行代码
• 在算法的适当位置运行代码（如排序中的比较操作）
• 发生某种情况时才需要执行代码
• 只在必要时才运行代码

例如：想要重复执行某段代码（重复打印 “hello”）

要接受 lambda 表达式，需要选择（或提供）一个函数式接口，这里使用 Runnable 接口：

public static void repeat(int n,Runnable action){
	for(int i=0;i<n;i++){
		action.run();
	}
}

//这是重复运行10次的 lambda 表达式
repeat(10,()->System.out.println("hello"));

只调用一次：

Runnable fun = ()->System.out.println("nm");
fun.run();  //打印一次 "nm"

调用 run 方法时，会执行 lambda 表达式的主体。

常见函数式接口：

基本类型的函数式接口：最好使用这些带参数规范的函数式接口，这样可以减少自动装箱

注：如果需要设计自己的函数式接口，其中只有一个抽象方法，可以使用 @FunctionalInterface 注解来标记这个接口，这样有两个优点：1.如果无意中增加了另一个非抽象方法，编译器会报错；2.Javadoc 页会指出你的接口是一个函数式接口。当然，不是必须使用注解，任何有一个抽象方法的接口都是函数式接口。不过使用注解是比较好的做法。