Java 8为什么需要Lambda表达式

原文地址：http://developer.51cto.com/art/201304/387681.htm

函数编程在C#、Python、JavaScript中都得到充分体现。而Java直到最新的Java 8才开始正式支持函数编程，最明显的改进就是对Lamba表达式的支持。正如C#之父Anders Hejlsberg在那篇文章 编程语言大趋势 中所讲，未来的编程语言将逐渐融合各自的特性，而不存在单纯的声明式语言（如之前的Java）或者单纯的函数编程语言。将来声明式编程语言借鉴函数编程思想，函数编程语言融合声明式编程特性...这几乎是一种必然趋势。如下图所示：

 

影响力较大的三个趋势

那具体而言我们为什么需要Lambda表达式呢？难道Java的OO和命令式编程（imperative programming）特性不够强大吗？下面让我们来分析下其原因。

1、内部循环和外部循环

先看一个大家耳熟能详的例子：

List numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6);

for (int number : numbers) {
    System.out.println(number);
}

是不是很常见呢？这个叫外部循环（External Iteration）。但是外部循环有什么问题呢？简单来说存在下面三个缺点：

1.只能顺序处理List中的元素（process one by one）

2.不能充分利用多核CPU

3.不利于编译器优化

而如果利用内部循环，代码写成下面这样：

List numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6);

numbers.forEach((Integer value) -> System.out.println(value));

这样就能规避上面的三个问题：

1.不一定需要顺序处理List中的元素，顺序可以不确定

2.可以并行处理，充分利用多核CPU的优势

3.有利于JIT编译器对代码进行优化

类似的C#从4.0版本开始也支持集合元素并行处理，代码如下：

List<int> nums = new List<int> { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
Parallel.ForEach(nums, (value) =>
{
   Console.WriteLine(value);
});

 

2、传递行为，而不仅仅是传值

如果你使用C#有一段时间的话，那么你很可能已经明白这个标题的意思了。在C#中，经常看到一些函数的参数是Action或者Func类型，比如下面这个：

public class ArticleDac {
   ...
   public Article GetArticles(Func, Article> func)   // 这里传递的就是行为
   {
      using(var db = xx) {
         return func(db.Articles);
      }
   }
   ...
}
// 下面是调用
int articleId = 119;
var firstArticle = new ArticleDac().GetArticles(
    articleDbSet =>
    articleDbSet.AsQueryable().FirstOrDefault(x => x.id == articleId)
);

看不懂？没关系。我们先来看一个体现传值局限性的场景吧，上代码：

List numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6);

public int sumAll(List numbers) {
    int total = 0;
    for (int number : numbers) {
        total += number;
    }
    return total;
}

sumAll算法很简单，完成的是将List中所有元素相加。某一天如果我们需要增加一个对List中所有偶数求和的方法sumAllEven，如下：

public int sumAllEven(List numbers) {
    int total = 0;
    for (int number : numbers) {
        if (number % 2 == 0) {
            total += number;
        }
    }
    return total;
}

又有一天，我们需要增加第三个方法：对List中所有大于3的元素求和，那是不是继续加下面的方法呢? 

public int sumAllEven(List numbers) {
    int total = 0;
    for (int number : numbers) {
        if (number > 3) {
            total += number;
        }
    }
    return total;
}

比较这三个方法，我们发现了一个很明显的“代码臭味”—— 代码重复（详情参考《重构》），三个方法的唯一区别在于if判断这一行代码。如果脱离这里的上下文，我们会怎么做呢？我首先会先想到利用策略模式重构代码如下：

public interface Strategy {
   public boolean test(int num);
}

public class SumAllStrategy implements Strategy {
   public boolean test(int num) {
      return true;
   }
}

public class SumAllEvenStrategy implements Strategy {
   public boolean test(int num) {
      return num % 2 == 0;
   }
}

public class ContextClass {
   private Strategy stragegy = null;
   private final static Strategy DEFAULT_STRATEGY = new SumAllStrategy();

   public ContextClass() {
      this(null);
   }

   public ContextClass(Stragegy stragegy) {
      if(strategy != null) {
         this.strategy = strategy;
      }
      else {
         this.strategy = DEFAULT_STRATEGY;
      }
   }

   public int sumAll(List numbers) {
      int total = 0;
      for (int number : numbers) {
         if (strategy.test(number)) {
            total += number;
         }
      }

      return total;
   }
}


// 调用
ContextClass context = new ContextClass();
context.sumAll(numbers);

设计模式在这里发挥了作用，OO特性还是蛮强大的！但这是唯一的解决方案吗（当然不考虑用其他设计模式来解决，因为都是OO范畴！）？当然有，该轮到Java 8 Lambda表达式中的谓词（Predicate）发挥作用了！

public int sumAll(List numbers, Predicate p) {
    int total = 0;
    for (int number : numbers) {
        if (p.test(number)) {
            total += number;
        }
    }
    return total;
}

sumAll(numbers, n -> true);
sumAll(numbers, n -> n % 2 == 0);
sumAll(numbers, n -> n > 3);

代码是不是比上面简洁很多了？语义应该也很明确，就不多解释了，如果实在看不懂，请参考我的另外一篇文章： http://www.cnblogs.com/feichexia/archive/2012/11/15/Java8_LambdaExpression.html 从这里也可以看出未引入Lambda表达式之前的Java代码的冗长（Java这点被很多人诟病）。

当然C#早已经支持这种用法，用C#改写上面的代码如下：

public int SumAll(IEnumerable<int> numbers, Predicate<int> predicate) {
   return numbers.Where(i => predicate(i)).Sum();
}

SumAll(numbers, n => true);
SumAll(numbers, n => n % 2 == 0);
SumAll(numbers, n => n > 3);

 

3、Consumer与Loan Pattern

比如我们有一个资源类Resource：

public class Resource {

    public Resource() {
        System.out.println("Opening resource");
    }

    public void operate() {
        System.out.println("Operating on resource");
    }

    public void dispose() {
        System.out.println("Disposing resource");
    }
}

我们必须这样调用：

Resource resource = new Resource();
try {
    resource.operate();
} finally {
    resource.dispose();
}

因为对资源对象resource执行operate方法时可能抛出RuntimeException，所以需要在finally语句块中释放资源，防止可能的内存泄漏。

但是有一个问题，如果很多地方都要用到这个资源，那么就存在很多段类似这样的代码，这很明显违 反了DRY（Don't Repeat It Yourself）原则。而且如果某位程序员由于某些原因忘了用try/finally处理资源，那么很可能导致内存泄漏。那咋办呢？Java 8提供了一个Consumer接口，代码改写为如下：

public class Resource {

    private Resource() {
        System.out.println("Opening resource");
    }

    public void operate() {
        System.out.println("Operating on resource");
    }

    public void dispose() {
        System.out.println("Disposing resource");
    }

    public static void withResource(Consumer consumer) {
        Resource resource = new Resource();
        try {
            consumer.accept(resource);
        } finally {
            resource.dispose();
        }
    }
}

调用代码如下：

Resource.withResource(resource -> resource.operate());

外部要访问Resource不能通过它的构造函数了（private），只能通过withResource方法了，这样代码清爽多了，而且也完全杜绝了因人为疏忽而导致的潜在内存泄漏。

 

4、stream+laziness => efficiency

像之前一样先来一段非常简单的代码： 

List numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6);

for (int number : numbers) {
    if (number % 2 == 0) {
        int n2 = number * 2;
        if (n2 > 5) {
            System.out.println(n2);
            break;
        }
    }
}

这段代码有什么问题？ 没错，可读性非常差。第一步，我们利用《重构》一书中的最基础的提取小函数重构手法来重构代码如下：

public boolean isEven(int number) {
    return number % 2 == 0;
}

public int doubleIt(int number) {
    return number * 2;
}

public boolean isGreaterThan5(int number) {
    return number > 5;
}

for (int number : numbers) {
    if (isEven(number)) {
        int n2 = doubleIt(number);
        if (isGreaterThan5(n2)) {
            System.out.println(n2);
            break;
        }
    }
}

OK，代码的意图清晰多了，但是可读性仍然欠佳，因为循环内嵌套一个if分支，if分支内又嵌套另外一个分支，于是继续重构代码如下：

public boolean isEven(int number) {
    return number % 2 == 0;
}

public int doubleIt(int number) {
    return number * 2;
}

public boolean isGreaterThan5(int number) {
    return number > 5;
}

List l1 = new ArrayList();
for (int n : numbers) {
    if (isEven(n)) l1.add(n);
}

List l2 = new ArrayList();
for (int n : l1) {
    l2.add(doubleIt(n));
}

List l3 = new ArrayList();
for (int n : l2) {
    if (isGreaterThan5(n)) l3.add(n);
}

System.out.println(l3.get(0));

现在代码够清晰了，这是典型的“流水线”风格代码。但是等等，现在的代码执行会占用更多空间（三个List）和时间，我们来分析下。首先第二版代码的执行流程是这样的：

isEven: 1
isEven: 2
doubleIt: 2
isGreaterThan5: 2
isEven: 3
isEven: 4
doubleIt: 4
isGreaterThan5: 4
8

而我们的第三版代码的执行流程是这样的：

isEven: 1
isEven: 2
isEven: 3
isEven: 4
isEven: 5
isEven: 6
doubleIt: 2
doubleIt: 4
doubleIt: 6
isGreaterThan5: 2
isGreaterThan5: 4
isGreaterThan5: 6
8

步骤数是13:9，所以有时候重构得到可读性强的代码可能会牺牲一些运行效率（但是一切都得实际衡量之后才能确定）。那么有没有“三全其美”的实现方法呢？即：

1.代码可读性强

2.代码执行效率不比第一版代码差

3.空间消耗小

Streams come to rescue! Java 8提供了stream方法，我们可以通过对任何集合对象调用stream()方法获得Stream对象，Stream对象有别于Collections的几点如下：

1.不存储值：Streams不会存储值，它们从某个数据结构的流水线型操作中获取值（“酒肉穿肠过”）

2.天生的函数编程特性：对Stream对象操作能得到一个结果，但是不会修改原始数据结构

3.Laziness-seeking（延迟搜索）：Stream的很多操作如filter、map、sort和duplicate removal(去重）可以延迟实现，意思是我们只要检查到满足要求的元素就可以返回

4.可选边界：Streams允许Client取足够多的元素直到满足某个条件为止。而Collections不能这么做

上代码：

System.out.println(
    numbers.stream()
            .filter(Lazy::isEven)
            .map(Lazy::doubleIt)
            .filter(Lazy::isGreaterThan5)
            .findFirst()
);

现在的执行流程是：

isEven: 1
isEven: 2
doubleIt: 2
isGreaterThan5: 4
isEven: 3
isEven: 4
doubleIt: 4
isGreaterThan5: 8
IntOptional[8]

流程基本和第二版代码一致，这归功于Laziness-seeking特性。怎么理解呢？让我来构造下面这个场景：

Stream流对象要经过下面这种流水线式处理：
过滤出偶数 => 乘以2 => 过滤出大于5的数 => 取出第一个数

注意：=> 左边的输出是右边的输入

而Laziness-seeking意味着 我们在每一步只要一找到满足条件的数字，马上传递给下一步去处理并且暂停当前步骤。 比如先判断1是否偶数，显然不是；继续判断2是否偶数，是偶数；好，暂停过滤偶数操作，将2传递给下一步乘以2，得到4；4继续传递给第三步，4不满足大 于5，所以折回第一步；判断3是否偶数，不是；判断4是否偶数，是偶数；4传递给第二步，乘以2得到8；8传递给第三步，8大于5；所以传递给最后一步， 直接取出得到 IntOptional[8]。

IntOptional[8]只是简单包装了下返回的结果，这样有什么好处呢？如果你接触过Null Object Pattern的话就知道了，这样可以避免无谓的null检测。

参考自：

http://java.dzone.com/articles/why-we-need-lambda-expressions

http://java.dzone.com/articles/why-we-need-lambda-expressions-0

原文链接：http://my.oschina.net/feichexia/blog/119805

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