十三、函数式编程（2）

本章概要

• 方法引用
  • Runnable 接口
  • 未绑定的方法引用
  • 构造函数引用
• 函数式接口
  • 多参数函数式接口
  • 缺少基本类型的函数

方法引用

Java 8 方法引用没有历史包袱。方法引用组成：类名或对象名，后面跟 :: ，然后跟方法名称。

interface Callable { // [1]
    void call(String s);
}

class Describe {
    void show(String msg) { // [2]
        System.out.println(msg);
    }
}

public class MethodReferences {
    static void hello(String name) { // [3]
        System.out.println("Hello, " + name);
    }

    static class Description {
        String about;

        Description(String desc) {
            about = desc;
        }

        void help(String msg) { // [4]
            System.out.println(about + " " + msg);
        }
    }

    static class Helper {
        static void assist(String msg) { // [5]
            System.out.println(msg);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Describe d = new Describe();
        Callable c = d::show; // [6]
        c.call("call()"); // [7]

        c = MethodReferences::hello; // [8]
        c.call("Bob");

        c = new Description("valuable")::help; // [9]
        c.call("information");

        c = Helper::assist; // [10]
        c.call("Help!");
    }
}

输出结果：

[1] 我们从单一方法接口开始（同样，你很快就会了解到这一点的重要性）。

[2] show() 的签名（参数类型和返回类型）符合 Callable 的 call() 的签名。

[3] hello() 也符合 call() 的签名。

[4] help() 也符合，它是静态内部类中的非静态方法。

[5] assist() 是静态内部类中的静态方法。

[6] 我们将 Describe 对象的方法引用赋值给 Callable ，它没有 show() 方法，而是 call() 方法。 但是，Java 似乎接受用这个看似奇怪的赋值，因为方法引用符合 Callable 的 call() 方法的签名。

[7] 我们现在可以通过调用 call() 来调用 show()，因为 Java 将 call() 映射到 show()。

[8] 这是一个静态方法引用。

[9] 这是 [6] 的另一个版本：对已实例化对象的方法的引用，有时称为_绑定方法引用_。

[10] 最后，获取静态内部类中静态方法的引用与 [8] 中通过外部类引用相似。

上例只是简短的介绍，我们很快就能看到方法引用的所有不同形式。

Runnable接口

Runnable 接口自 1.0 版以来一直在 Java 中，因此不需要导入。它也符合特殊的单方法接口格式：它的方法 run() 不带参数，也没有返回值。因此，我们可以使用 Lambda 表达式和方法引用作为 Runnable：

// 方法引用与 Runnable 接口的结合使用

class Go {
    static void go() {
        System.out.println("Go::go()");
    }
}

public class RunnableMethodReference {
    public static void main(String[] args) {

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("Anonymous");
            }
        }).start();

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

        new Thread(Go::go).start();
    }
}

输出结果：

Thread 对象将 Runnable 作为其构造函数参数，并具有会调用 run() 的方法 start()。 注意这里只有匿名内部类才要求显式声明 run() 方法。

未绑定的方法引用

未绑定的方法引用是指没有关联对象的普通（非静态）方法。 使用未绑定的引用时，我们必须先提供对象：

// 没有方法引用的对象

class X {
    String f() {
        return "X::f()";
    }
}

interface MakeString {
    String make();
}

interface TransformX {
    String transform(X x);
}

public class UnboundMethodReference {
    public static void main(String[] args) {
        // MakeString ms = X::f; // [1]
        TransformX sp = X::f;
        X x = new X();
        System.out.println(sp.transform(x)); // [2]
        System.out.println(x.f()); // 同等效果
    }
}

输出结果：

到目前为止，我们已经见过了方法引用和对应接口的签名（参数类型和返回类型）一致的几个赋值例子。 在 [1] 中，我们尝试同样的做法，把 X 的 f() 方法引用赋值给 MakeString。结果即使 make() 与 f() 具有相同的签名，编译也会报“invalid method reference”（无效方法引用）错误。 问题在于，这里其实还需要另一个隐藏参数参与：我们的老朋友 this。 你不能在没有 X 对象的前提下调用 f()。 因此，X :: f 表示未绑定的方法引用，因为它尚未“绑定”到对象。

要解决这个问题，我们需要一个 X 对象，因此我们的接口实际上需要一个额外的参数，正如在 TransformX 中看到的那样。 如果将 X :: f 赋值给 TransformX，在 Java 中是允许的。我们必须做第二个心理调整——使用未绑定的引用时，函数式方法的签名（接口中的单个方法）不再与方法引用的签名完全匹配。 原因是：你需要一个对象来调用方法。

[2] 的结果有点像脑筋急转弯。我拿到未绑定的方法引用，并且调用它的transform()方法，将一个X类的对象传递给它，最后使得 x.f() 以某种方式被调用。Java知道它必须拿第一个参数，该参数实际就是this 对象，然后对此调用方法。

如果你的方法有更多个参数，就以第一个参数接受this的模式来处理。

// 未绑定的方法与多参数的结合运用

class This {
    void two(int i, double d) {
    }

    void three(int i, double d, String s) {
    }

    void four(int i, double d, String s, char c) {
    }
}

interface TwoArgs {
    void call2(This athis, int i, double d);
}

interface ThreeArgs {
    void call3(This athis, int i, double d, String s);
}

interface FourArgs {
    void call4(
            This athis, int i, double d, String s, char c);
}

public class MultiUnbound {
    public static void main(String[] args) {
        TwoArgs twoargs = This::two;
        ThreeArgs threeargs = This::three;
        FourArgs fourargs = This::four;
        This athis = new This();
        twoargs.call2(athis, 11, 3.14);
        threeargs.call3(athis, 11, 3.14, "Three");
        fourargs.call4(athis, 11, 3.14, "Four", 'Z');
    }
}

需要指出的是，我将类命名为 This，并将函数式方法的第一个参数命名为 athis，但你在生产级代码中应该使用其他名字，以防止混淆。

构造函数引用

你还可以捕获构造函数的引用，然后通过引用调用该构造函数。

class Dog {
    String name;
    int age = -1; // For "unknown"

    Dog() {
        name = "stray";
    }

    Dog(String nm) {
        name = nm;
    }

    Dog(String nm, int yrs) {
        name = nm;
        age = yrs;
    }
}

interface MakeNoArgs {
    Dog make();
}

interface Make1Arg {
    Dog make(String nm);
}

interface Make2Args {
    Dog make(String nm, int age);
}

public class CtorReference {
    public static void main(String[] args) {
        MakeNoArgs mna = Dog::new; // [1]
        Make1Arg m1a = Dog::new;   // [2]
        Make2Args m2a = Dog::new;  // [3]

        Dog dn = mna.make();
        Dog d1 = m1a.make("Comet");
        Dog d2 = m2a.make("Ralph", 4);
    }
}

Dog 有三个构造函数，函数式接口内的 make() 方法反映了构造函数参数列表（ make() 方法名称可以不同）。

注意我们如何对 [1]，[2] 和 [3] 中的每一个使用 Dog :: new。 这三个构造函数只有一个相同名称：:: new，但在每种情况下赋值给不同的接口，编译器可以从中知道具体使用哪个构造函数。

编译器知道调用函数式方法（本例中为 make()）就相当于调用构造函数。

函数式接口

方法引用和 Lambda 表达式都必须被赋值，同时赋值需要类型信息才能使编译器保证类型的正确性。尤其是Lambda 表达式，它引入了新的要求。 代码示例：

x -> x.toString()

我们清楚这里返回类型必须是 String，但 x 是什么类型呢？

Lambda 表达式包含 类型推导 （编译器会自动推导出类型信息，避免了程序员显式地声明）。编译器必须能够以某种方式推导出 x 的类型。

下面是第二个代码示例：

(x, y) -> x + y

现在 x 和 y 可以是任何支持 + 运算符连接的数据类型，可以是两个不同的数值类型或者是 一个 String 加任意一种可自动转换为 String 的数据类型（这包括了大多数类型）。 但是，当 Lambda 表达式被赋值时，编译器必须确定 x 和 y 的确切类型以生成正确的代码。

该问题也适用于方法引用。 假设你要传递 System.out :: println 到你正在编写的方法 ，你怎么知道传递给方法的参数的类型？

为了解决这个问题，Java 8 引入了 java.util.function 包。它包含一组接口，这些接口是 Lambda 表达式和方法引用的目标类型。 每个接口只包含一个抽象方法，称为 函数式方法 。

在编写接口时，可以使用 @FunctionalInterface 注解强制执行此“函数式方法”模式：

@FunctionalInterface
interface Functional {
    String goodbye(String arg);
}

interface FunctionalNoAnn {
    String goodbye(String arg);
}

/*
@FunctionalInterface
interface NotFunctional {
  String goodbye(String arg);
  String hello(String arg);
}
产生错误信息:
NotFunctional is not a functional interface
multiple non-overriding abstract methods
found in interface NotFunctional
*/

public class FunctionalAnnotation {
    public String goodbye(String arg) {
        return "Goodbye, " + arg;
    }

    public static void main(String[] args) {
        FunctionalAnnotation fa =
                new FunctionalAnnotation();
        Functional f = fa::goodbye;
        FunctionalNoAnn fna = fa::goodbye;
        // Functional fac = fa; // Incompatible
        Functional fl = a -> "Goodbye, " + a;
        FunctionalNoAnn fnal = a -> "Goodbye, " + a;
    }
}

@FunctionalInterface 注解是可选的; Java 会在 main() 中把 Functional 和 FunctionalNoAnn 都当作函数式接口来看待。 在 NotFunctional 的定义中可看出@FunctionalInterface 的作用：当接口中抽象方法多于一个时产生编译期错误。

仔细观察在定义 f 和 fna 时发生了什么。 Functional 和 FunctionalNoAnn 声明了是接口，然而被赋值的只是方法 goodbye()。首先，这只是一个方法而不是类；其次，它甚至都不是实现了该接口的类中的方法。这是添加到Java 8中的一点小魔法：如果将方法引用或 Lambda 表达式赋值给函数式接口（类型需要匹配），Java 会适配你的赋值到目标接口。 编译器会在后台把方法引用或 Lambda 表达式包装进实现目标接口的类的实例中。

虽然 FunctionalAnnotation 确实符合 Functional 模型，但是 Java不允许我们像fac定义的那样，将 FunctionalAnnotation 直接赋值给 Functional，因为 FunctionalAnnotation 并没有显式地去实现 Functional 接口。唯一的惊喜是，Java 8 允许我们将函数赋值给接口，这样的语法更加简单漂亮。

java.util.function 包旨在创建一组完整的目标接口，使得我们一般情况下不需再定义自己的接口。主要因为基本类型的存在，导致预定义的接口数量有少许增加。 如果你了解命名模式，顾名思义就能知道特定接口的作用。

以下是基本命名准则：

1. 如果只处理对象而非基本类型，名称则为 Function，Consumer，Predicate 等。参数类型通过泛型添加。
2. 如果接收的参数是基本类型，则由名称的第一部分表示，如 LongConsumer，DoubleFunction，IntPredicate 等，但返回基本类型的 Supplier 接口例外。
3. 如果返回值为基本类型，则用 To 表示，如 ToLongFunction 和 IntToLongFunction。
4. 如果返回值类型与参数类型相同，则是一个 Operator ：单个参数使用 UnaryOperator，两个参数使用 BinaryOperator。
5. 如果接收参数并返回一个布尔值，则是一个 谓词 (Predicate)。
6. 如果接收的两个参数类型不同，则名称中有一个 Bi。

下表描述了 java.util.function 中的目标类型（包括例外情况）：

特征	函数式方法名	示例
无参数；
无返回值	Runnable (java.lang)
run()	Runnable
无参数；
返回类型任意	Supplierget()
getAs类型()	Supplier****
**
BooleanSupplier
IntSupplier
LongSupplier
DoubleSupplier**
无参数；
返回类型任意	Callable (java.util.concurrent)
call()	Callable****
1 参数；
无返回值	Consumeraccept()	**Consumer**
**
IntConsumer
LongConsumer
DoubleConsumer**
2 参数 Consumer	BiConsumeraccept()	**BiConsumer**
2 参数 Consumer；
第一个参数是 引用；
第二个参数是 基本类型	Obj类型Consumeraccept()	**ObjIntConsumer**
**
****ObjLongConsumer**
**
****ObjDoubleConsumer**
1 参数；
返回类型不同	Functionapply()
To类型 和 类型To类型applyAs类型()	Function****
**
IntFunction******
**
****LongFunction**
**
DoubleFunction******
**
ToIntFunction******
**
****ToLongFunction**
**
****ToDoubleFunction**
**
IntToLongFunction
IntToDoubleFunction
LongToIntFunction
LongToDoubleFunction
DoubleToIntFunction
DoubleToLongFunction**
1 参数；
返回类型相同	UnaryOperatorapply()	**UnaryOperator**
**
IntUnaryOperator
LongUnaryOperator
DoubleUnaryOperator**
2 参数，类型相同；
返回类型相同	BinaryOperatorapply()	**BinaryOperator**
**
IntBinaryOperator
LongBinaryOperator
DoubleBinaryOperator**
2 参数，类型相同;
返回整型	Comparator
(java.util)
compare()	**Comparator**
2 参数；
返回布尔型	Predicatetest()	**Predicate**
**
****BiPredicate**
**
IntPredicate
LongPredicate
DoublePredicate**
参数基本类型；
返回基本类型	类型To类型FunctionapplyAs类型()	**IntToLongFunction
IntToDoubleFunction
LongToIntFunction
LongToDoubleFunction
DoubleToIntFunction
DoubleToLongFunction**
2 参数；
类型不同	Bi操作 (不同方法名)	**BiFunction**
**
****BiConsumer**
**
****BiPredicate**
**
****ToIntBiFunction**
**
****ToLongBiFunction**
**
****ToDoubleBiFunction**

此表仅提供些常规方案。通过上表，你应该或多或少能自行推导出你所需要的函数式接口。

可以看出，在创建 java.util.function 时，设计者们做出了一些选择。

例如，为什么没有 IntComparator，LongComparator 和 DoubleComparator 呢？有 BooleanSupplier 却没有其他表示 Boolean 的接口；有通用的 BiConsumer 却没有用于 int，long 和 double 的 BiConsumers 变体（我理解他们为什么放弃这些接口）。这到底是疏忽还是有人认为其他组合使用得很少呢（他们是如何得出这个结论的）？

你还可以看到基本类型给 Java 添加了多少复杂性。该语言的第一版中就包含了基本类型，原因是考虑效率问题（该问题很快就缓解了）。现在，在语言的生命周期里，我们一直忍受语言设计的糟糕选择所带来的影响。

下面枚举了基于 Lambda 表达式的所有不同 Function 变体的示例：

import java.util.function.*;

class Foo {
}

class Bar {
    Foo f;

    Bar(Foo f) {
        this.f = f;
    }
}

class IBaz {
    int i;

    IBaz(int i) {
        this.i = i;
    }
}

class LBaz {
    long l;

    LBaz(long l) {
        this.l = l;
    }
}

class DBaz {
    double d;

    DBaz(double d) {
        this.d = d;
    }
}

public class FunctionVariants {
    static Function<Foo, Bar> f1 = f -> new Bar(f);
    static IntFunction<IBaz> f2 = i -> new IBaz(i);
    static LongFunction<LBaz> f3 = l -> new LBaz(l);
    static DoubleFunction<DBaz> f4 = d -> new DBaz(d);
    static ToIntFunction<IBaz> f5 = ib -> ib.i;
    static ToLongFunction<LBaz> f6 = lb -> lb.l;
    static ToDoubleFunction<DBaz> f7 = db -> db.d;
    static IntToLongFunction f8 = i -> i;
    static IntToDoubleFunction f9 = i -> i;
    static LongToIntFunction f10 = l -> (int) l;
    static LongToDoubleFunction f11 = l -> l;
    static DoubleToIntFunction f12 = d -> (int) d;
    static DoubleToLongFunction f13 = d -> (long) d;

    public static void main(String[] args) {
        Bar b = f1.apply(new Foo());
        IBaz ib = f2.apply(11);
        LBaz lb = f3.apply(11);
        DBaz db = f4.apply(11);
        int i = f5.applyAsInt(ib);
        long l = f6.applyAsLong(lb);
        double d = f7.applyAsDouble(db);
        l = f8.applyAsLong(12);
        d = f9.applyAsDouble(12);
        i = f10.applyAsInt(12);
        d = f11.applyAsDouble(12);
        i = f12.applyAsInt(13.0);
        l = f13.applyAsLong(13.0);
    }
}

这些 Lambda 表达式尝试生成适合函数签名的最简代码。 在某些情况下有必要进行强制类型转换，否则编译器会报截断错误。

main()中的每个测试都显示了 Function 接口中不同类型的 apply() 方法。 每个都产生一个与其关联的 Lambda 表达式的调用。

方法引用有自己的小魔法：

import java.util.function.*;

class In1 {
}

class In2 {
}

public class MethodConversion {
    static void accept(In1 i1, In2 i2) {
        System.out.println("accept()");
    }

    static void someOtherName(In1 i1, In2 i2) {
        System.out.println("someOtherName()");
    }

    public static void main(String[] args) {
        BiConsumer<In1, In2> bic;

        bic = MethodConversion::accept;
        bic.accept(new In1(), new In2());

        bic = MethodConversion::someOtherName;
        // bic.someOtherName(new In1(), new In2()); // Nope
        bic.accept(new In1(), new In2());
    }
}

输出结果：

查看 BiConsumer 的文档，你会看到它的函数式方法为 accept() 。 的确，如果我们将方法命名为 accept()，它就可以作为方法引用。 但是我们也可用不同的名称，比如 someOtherName()。只要参数类型、返回类型与 BiConsumer 的 accept() 相同即可。

因此，在使用函数接口时，名称无关紧要——只要参数类型和返回类型相同。 Java 会将你的方法映射到接口方法。 要调用方法，可以调用接口的函数式方法名（在本例中为 accept()），而不是你的方法名。

现在我们来看看，将方法引用应用于基于类的函数式接口（即那些不包含基本类型的函数式接口）。下面的例子中，我创建了适合函数式方法签名的最简单的方法：

import java.util.*;
import java.util.function.*;

class AA {
}

class BB {
}

class CC {
}

public class ClassFunctionals {
    static AA f1() {
        return new AA();
    }

    static int f2(AA aa1, AA aa2) {
        return 1;
    }

    static void f3(AA aa) {
    }

    static void f4(AA aa, BB bb) {
    }

    static CC f5(AA aa) {
        return new CC();
    }

    static CC f6(AA aa, BB bb) {
        return new CC();
    }

    static boolean f7(AA aa) {
        return true;
    }

    static boolean f8(AA aa, BB bb) {
        return true;
    }

    static AA f9(AA aa) {
        return new AA();
    }

    static AA f10(AA aa1, AA aa2) {
        return new AA();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Supplier<AA> s = ClassFunctionals::f1;
        s.get();
        Comparator<AA> c = ClassFunctionals::f2;
        c.compare(new AA(), new AA());
        Consumer<AA> cons = ClassFunctionals::f3;
        cons.accept(new AA());
        BiConsumer<AA, BB> bicons = ClassFunctionals::f4;
        bicons.accept(new AA(), new BB());
        Function<AA, CC> f = ClassFunctionals::f5;
        CC cc = f.apply(new AA());
        BiFunction<AA, BB, CC> bif = ClassFunctionals::f6;
        cc = bif.apply(new AA(), new BB());
        Predicate<AA> p = ClassFunctionals::f7;
        boolean result = p.test(new AA());
        BiPredicate<AA, BB> bip = ClassFunctionals::f8;
        result = bip.test(new AA(), new BB());
        UnaryOperator<AA> uo = ClassFunctionals::f9;
        AA aa = uo.apply(new AA());
        BinaryOperator<AA> bo = ClassFunctionals::f10;
        aa = bo.apply(new AA(), new AA());
    }
}

请注意，每个方法名称都是随意的（如 f1()，f2()等）。正如你刚才看到的，一旦将方法引用赋值给函数接口，我们就可以调用与该接口关联的函数方法。 在此示例中为 get()、compare()、accept()、apply() 和 test()。

多参数函数式接口

java.util.functional 中的接口是有限的。比如有 BiFunction，但也仅此而已。 如果需要三参数函数的接口怎么办？ 其实这些接口非常简单，很容易查看 Java 库源代码并自行创建。代码示例：

// functional/TriFunction.java

@FunctionalInterface
public interface TriFunction<T, U, V, R> {
    R apply(T t, U u, V v);
}

简单测试，验证它是否有效：

public class TriFunctionTest {
    static int f(int i, long l, double d) {
        return 99;
    }

    public static void main(String[] args) {
        TriFunction<Integer, Long, Double, Integer> tf =
                TriFunctionTest::f;
        tf = (i, l, d) -> 12;
    }
}

这里我们同时测试了方法引用和 Lambda 表达式。

缺少基本类型的函数

让我们重温一下 BiConsumer，看看我们将如何创建各种缺失的预定义组合，涉及 int，long 和 double （基本类型）：

import java.util.function.*;

public class BiConsumerPermutations {
    static BiConsumer<Integer, Double> bicid = (i, d) ->
            System.out.format("%d, %f%n", i, d);
    static BiConsumer<Double, Integer> bicdi = (d, i) ->
            System.out.format("%d, %f%n", i, d);
    static BiConsumer<Integer, Long> bicil = (i, l) ->
            System.out.format("%d, %d%n", i, l);

    public static void main(String[] args) {
        bicid.accept(47, 11.34);
        bicdi.accept(22.45, 92);
        bicil.accept(1, 11L);
    }
}

输出结果：

这里使用 System.out.format() 来显示。它类似于 System.out.println() 但提供了更多的显示选项。 这里，%f 表示我将 n 作为浮点值给出，%d 表示 n 是一个整数值。 这其中可以包含空格，输入 %n 会换行 — 当然使用传统的 \n 也能换行，但 %n 是自动跨平台的，这是使用 format() 的另一个原因。

上例只是简单使用了合适的包装类型，而装箱和拆箱负责它与基本类型之间的来回转换。 又比如，我们可以将包装类型和Function一起使用，而不去用各种针对基本类型的预定义接口。代码示例：

import java.util.function.*;

public class FunctionWithWrapped {
    public static void main(String[] args) {
        Function<Integer, Double> fid = i -> (double) i;
        IntToDoubleFunction fid2 = i -> i;
    }
}

如果没有强制转换，则会收到错误消息：“Integer cannot be converted to Double”（Integer 无法转换为 Double），而使用 IntToDoubleFunction 就没有此类问题。 IntToDoubleFunction 接口的源代码是这样的：

@FunctionalInterface
public interface IntToDoubleFunction {
    double applyAsDouble(int value);
}

因为我们可以简单地写 Function 并产生正常的结果，所以用基本类型（IntToDoubleFunction）的唯一理由是可以避免传递参数和返回结果过程中的自动拆装箱，进而提升性能。

似乎是考虑到使用频率，某些函数类型并没有预定义。

当然，如果因为缺少针对基本类型的函数式接口造成了性能问题，你可以轻松编写自己的接口（ 参考 Java 源代码）——尽管这里出现性能瓶颈的可能性不大。