[Java 8] (2) Lambda在集合中的使用

Lambda在集合中的使用

列表的遍历

提起对于集合的遍历，恐怕下面的这种方式已经是一种思维定式了吧：

final List<String> friends = Arrays.asList("Brian", "Nate", "Neal", "Raju", "Sara", "Scott");

for(int i = 0; i < friends.size(); i++) {
    System.out.println(friends.get(i));
}

但是仔细想想，以上的代码似乎出现了过多的细节，比如循环变量i的出现。在做简单的遍历操作时，循环变量实际上是不必要的，只有在对某个特定位置的元素执行某个特殊操作时，循环变量的使用才有意义。所以，在Java中引入了增强的for循环，在这种循环方式中，循环变量是不必要的：

for(String name : friends) {
    System.out.println(name);
}

这种方式，在实现细节上使用的是iterator接口和它的hasNext()，next()方法。

无论使用哪种for循环，它们仍然使用了外部遍历器(External Iterator)。即在for循环中，你总是有办法通过诸如break，continue等方式来控制遍历的过程。

与外部遍历器相对的，是内部遍历器(Internal Iterator)。在Java 8中，Iterable接口被增强了，现在该接口拥有一个forEach方法用来实现内部遍历器。forEach方法会接受一个Consumer接口类型作为参数，该接口是一个函数式接口(Functional Interface)，它是内部遍历器的实现方式。关于函数式接口，可以参考上一篇文章。

friends.forEach(new Consumer<String>() {
    public void accept(final String name) {
        System.out.println(name);
    }
});

很显然，上述代码中使用的匿名类在Java 8中并不是最好的方案，在这种场景下Lambda表达式是更好的选择：

friends.forEach((final String name) -> System.out.println(name));

forEach方法本身是一个高阶函数，因为它接受了一个Lambda表达式作为其参数，而Lambda表达式在本质上则是一个函数。在Lambda表达式的左边，声明了一个String类型的变量name，它代表了集合中的元素。而箭头右边的代码则表达了对于该元素应该执行何种操作。forEach之所以被称为内部遍历器，原因在于一旦它开始执行了，那么遍历操作就不能够被轻易中断。

同时，借助Java编译器的类型推导(Type Inference)特性，Lambda表达式能够被进一步简化如下：

friends.forEach((name) -> System.out.println(name));

此时，编译器能够通过运行时的上下文知道这个name变量的类型是String。

另外，当Lambda表达式左端只接受一个变量的时候，括号也是可以省略的：

friends.forEach(name -> System.out.println(name));

但是用类型推导有一个不好的地方，就是参数不会自动被final修饰。因此，在Lambda表达式右端，是可以对参数进行修改的，然而这种行为是不被倡导的。

上面的代码已经足够简洁了，但是还有更简洁的方法，那就是使用方法引用：

friends.forEach(System.out::println);

使用这种方式甚至不需要写出Lambda表达式的左端参数部分。关于方法引用的详细情况，会在以后进行介绍。

与使用外部遍历不同，使用内部遍历的好处在于：

• 放弃使用显式的for循环，因其与生俱来的顺序执行的特性会阻碍并行化。换言之，使用内部遍历时，程序的并行程度能够很容易地被提高。
• 声明式的代码比命令式的代码更简洁，更具有可读性，更优雅。

列表的变换

将一个集合通过某种计算得到另一个集合是一种常用的操作，也是Lambda表达式的用武之地。 比如，以将一个名字集合转换为首字母大写了的名字集合为例。

为了不改变原集合，最“自然”的方式如下：

final List<String> uppercaseNames = new ArrayList<String>();
for(String name : friends) {
    uppercaseNames.add(name.toUpperCase());
}

以上代码使用了外部遍历器，即for循环来完成集合操作。而将命令式代码转变为声明式代码(也就是函数式)的首要任务就是观察遍历的使用方式，尽可能地将外部遍历更改为内部遍历：

final List<String> uppercaseNames = new ArrayList<String>();
friends.forEach(name -> uppercaseNames.add(name.toUpperCase()));
System.out.println(uppercaseNames);

好了，现在我们使用了forEach来代替for循环。但是感觉代码并没有变的简洁多少。 我们可以使用其他的函数式接口(Functional Interface)来实现集合的转换。事实上，map方法比forEach方法更胜任这一类转换工作：

friends.stream()
    .map(name -> name.toUpperCase())
    .forEach(name -> System.out.print(name + " "));
System.out.println();

这里使用了一个新的方法叫做stream()。在Java 8中，所有的集合类型都拥有这个方法。该方法的返回值是一个Stream类型的实例，该实例将集合本身包含在内(即上述的friends集合被包含在了stream实例中)。

可以将它理解成一个建立在集合上的iterator，它提供了除了forEach之外的更加高级的方法，如上述的map()。map方法的作用在于，它能够将接受的一个输入序列转换成一个输出序列(即完成转换工作)。这也意味着map方法是存在返回值的，所以后续的forEach方法操作的集合即是map方法返回的集合。

集合的转换操作可以是任意的，比如需要得到每个名字的长度：

friends.stream()
    .map(name -> name.length())
    .forEach(count -> System.out.print(count + " "));
// 5 4 4 4 4 5

使用方法引用

使用方法引用能够对上面的代码进行简化：

friends.stream()
    .map(String::toUpperCase)
    .forEach(name -> System.out.println(name));

回顾之前我们提到过的，当一个方法接受函数式接口作为参数时，可以传入Lambda表达式或者方法/构造器的引用进行调用。而以上的String::toUpperCase就是一个方法应用。

注意到对该方法进行引用时，省略了其参数信息。这是因为Java编译器在为该方法引用生成实例时，会进行类型推导自动地将集合中的元素作为参数传入到该方法中。

寻找元素

比如，当我们需要得到名字集合中所有以N开头的名字时，最“自然”的实现方式马上就会反映如下：

final List<String> startsWithN = new ArrayList<String>();
for(String name : friends) {
    if(name.startsWith("N")) {
        startsWithN.add(name);
    }
}

但是，我们可以让这一切变得更加简单和优雅：

final List<String> startsWithN = friends.stream()
    .filter(name -> name.startsWith("N"))
    .collect(Collectors.toList());

对于filter方法，它期待的参数是一个返回boolean类型的Lambda表达式。对于被操作的集合中的每个元素而言，如果Lambda表达式返回的是true，那么就意味着filter后得到的stream实例中是包含该元素的，反之亦然。最后，可以通过调用stream实例的collect方法来将stream实例转换成一个List实例。

Lambda表达式的重用

比如，当需要对不止一个集合进行操作时：

final long countFriendsStartN = friends.stream().filter(name -> name.startsWith("N")).count();
final long countComradesStartN = comrades.stream().filter(name -> name.startsWith("N")).count();
final long countEditorsStartN = editors.stream().filter(name -> name.startsWith("N")).count();

显而易见，Lambda表达式需要被重用。我们可以将Lambda表达式给保存到一个变量中，就像Java处理其他任何类型的变量一样。问题来了？Lambda表达式的类型是什么呢，在Java这种静态类型语言中，我们不能单单使用诸如var，val就来代表一个Lambda表达式。

对于filter方法接受的Lambda表达式，它是符合Predicate接口类型的，因此可以声明如下：

final Predicate<String> startsWithN = name -> name.startsWith("N");
final long countFriendsStartN = friends.stream().filter(startsWithN).count();
final long countComradesStartN = comrades.stream().filter(startsWithN).count();
final long countEditorsStartN = editors.stream().filter(startsWithN).count();

但是，问题又来了！如果在某些情况下需要检测的不是以N开头，而是以别的字母如B开头呢？ 那么，就需要再创建一个Lambda表达式并保存到变量中：

final Predicate<String> startsWithN = name -> name.startsWith("N");
final Predicate<String> startsWithB = name -> name.startsWith("B");
final long countFriendsStartN = friends.stream().filter(startsWithN).count();
final long countFriendsStartB = friends.stream().filter(startsWithB).count();

显然，这并不是长久之计。不能因为需要检测的首字母不同，就创建额外的Lambda表达式。我们需要它进行进一步的抽象。

第一种方法：

public static Predicate<String> checkIfStartsWith(final String letter) {
    return name -> name.startsWith(letter);
}

通过一个带参数的方法来得到需要的Lambda表达式。这个方法就是传说中的高阶函数，因为它返回了一个Lambda表达式作为返回值，而Lambda表达式本质上是一个函数。

另外，这里也体现了Java 8中关于Lambda表达式的另外一个特性：闭包和作用域。在以上返回的Lambda表达式中引用了一个letter变量，而这个letter变量则是checkIfStartsWith方法接受的参数，就像JavaScript等拥有闭包特性的语言那样，Java也具有这种特性了。

但是，在Java中利用闭包对变量进行访问时，有需要注意的问题。我们只能访问被final修饰的变量或者本质上是final的变量。正如上面checkIfStartsWith声明的参数被final修饰那样。

这是因为，Lambda表达式可能在任何时候被执行，也可能被任何其他线程执行。所以为了保证不出现竞态条件(Race Condition)，需要保证Lambda表达式中引用到的变量不会被改变。

final long countFriendsStartN = friends.stream().filter(checkIfStartsWith("N")).count();
final long countFriendsStartB = friends.stream().filter(checkIfStartsWith("B")).count();

利用上述可以根据要求动态生成Lambda表达式的高阶函数，就可以按照上面这个样子来进行代码重用了。

缩小作用域

实际上，使用static来实现以上的高阶函数并不是一个好主意。可以将作用域缩小一些：

final Function<String, Predicate<String>> startsWithLetter =
    (String letter) -> {
        Predicate<String> checkStartsWith = (String name) -> name.startsWith(letter);
        return checkStartsWith;
    };

startsWithLetter变量代表的是一个Lambda表达式，该表达式接受一个String作为参数，返回另外一个Lambda表达式。这也就是它的类型Function>所代表的意义。

目前来看，使用这种方式让代码更加复杂了，但是将它简化之后就成了下面这个样子：

final Function<String, Predicate<String>> startsWithLetter = (String letter) -> (String name) -> name.startsWith(letter);

还可以通过省略参数类型进行进一步的简化：

final Function<String, Predicate<String>> startsWithLetter = letter -> name -> name.startsWith(letter);

乍一看也许觉得上面的形式太复杂，其实不然，你只是需要时间来适应这种简练的表达方式。

那么，我们需要实现的代码就可以这样写了：

final long countFriendsStartN = friends.stream().filter(startsWithLetter.apply("N")).count();
final long countFriendsStartB = friends.stream().filter(startsWithLetter.apply("B")).count();

使用startsWithLetter.apply("N")的结果是得到了Lambda表达式，它作为参数被传入到了filter方法中。剩下的事情，就和之前的代码一样了。

Predicate和Function

目前，已经出现了两种类型的函数式接口(Functional Interface)。它们分别是filter方法使用的Predicate和map方法使用的Function。其实从Java 8的源代码来看，它们的概念实际上是相当简单的：

@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
    boolean test(T t);
    // others...
}

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);
    // others...
}

Predicate可以看做是Function的一个特例，即Function代表的就是Predicate。

挑选元素

比如，当我们需要打印出集合中第一个以某字母开头的元素时，最“自然”的实现如下：

public static void pickName(
    final List<String> names, final String startingLetter) {
    String foundName = null;
    for(String name : names) {
        if(name.startsWith(startingLetter)) {
            foundName = name;
            break;
        }
    }
    System.out.print(String.format("A name starting with %s: ", startingLetter));
    if(foundName != null) {
        System.out.println(foundName);
    } else {
        System.out.println("No name found");
    }
}

虽然是最“自然”的实现方式，但是它太太太丑陋了。从将foundName设置成null开始，这段代码充斥着一些代码的“坏味道”。正因为变量被设置成了null，为了避免臭名昭著的NullPointerException，我们必须在使用它之前进行空检查。除此之外，声明了可变变量，使用了冗长的外部遍历，没有尽量实现不可变性也是这段代码具有的问题。

然而，任务本身是很简单的。我们只是想打印集合中第一个符合某种条件的元素而已。

这次，使用Lambda表达式来实现：

public static void pickName(
    final List<String> names, final String startingLetter) {
    final Optional<String> foundName = names.stream()
        .filter(name ->name.startsWith(startingLetter))
        .findFirst();
    System.out.println(String.format("A name starting with %s: %s", startingLetter, foundName.orElse("No name found")));
}

以上代码出现了几个新概念： 在调用filter后，调用了findFirst方法，这个方法返回的对象类型时Optional。关于这个Optional，可以将它理解成一个可能存在，也可能不存在的结果。这样的话，就可以避免对返回结果进行空检查了。对于结果是否真的存在，可以使用isPresent()方法进行判断，而get()方法用于尝试对结果的获取。当结果不存在时，我们也可以使用orElse()来指定一个替代结果，正如上面使用的那样。

另外，当结果存在时，通过使用ifPresent方法也可以运行某一段代码，运行的代码可以通过Lambda表达式声明：

foundName.ifPresent(name -> System.out.println("Hello " + name));

但是，对于使用Lambda表达式实现的pickName方法，它做的工作是否会比命令式的实现方式更多呢？因为可以发现，在命令式实现中，当我们发现了第一个符号条件的元素之后，for循环会被立即终止。而findFirst是否也会执行类型的操作，当发现第一个符号条件的元素后，及时中断剩下的操作呢？答案是肯定的，关于这一点会在后面的文章中会进行介绍。

集合归约

和前面的种种操作不同，对于集合的归约(Collection Reduction)，元素与元素不再是独立的，它们会通过某种归约操作联系在一起。

比如得到名字集合的总字符数，就是一种典型的求和归约。可以实现如下：

System.out.println("Total number of characters in all names: " +
    friends.stream()
        .mapToInt(name -> name.length())
        .sum());

通过stream实例的mapToInt方法，我们可以很方便地将一个字符串集合转换成一个整型数集合。然后调用sum方法得到整型数集合的和值。这里有一些实现细节，比如mapToInt方法得到的是一个Stream类型的子类型IntStream的实例，sum方法就是定义在IntStream类型之上。与IntStream类似，还有LongStream和DoubleStream类型，这些类型的存在是为了提供一些类型相关的操作，让代码调用更简洁。

比如，和sum()方法类似地，还有max()，min()，average()等一系列方法用来实现常用的归约。

但是归根到底，这些方法最终使用到的是一个叫做reduce()的方法。reduce方法的工作原理，可以这样概括：在对一个集合中的元素按照顺序进行两两操作时，根据某种策略来得到一个结果，得到的结果将作为一个元素参与到下一次操作中，最终这个集合会被归约成为一个结果。这个结果也就是reduce方法的返回值。

因此，当我们需要寻找并打印一个集合中最长的名字时(长度相同时，打印第一个)，可以如下实现：

final Optional<String> aLongName = friends.stream()
    .reduce((name1, name2) ->
        name1.length() >= name2.length() ? name1 : name2);
aLongName.ifPresent(name -> System.out.println(String.format("A longest name: %s", name)));

我们来分析一下Lambda表达式：

(name1, name2) -> name1.length() >= name2.length() ? name1 : name2)

是不是符合我们概括的关于reduce方法的工作原理。

第一次执行两两操作时，name1和name2代表的是集合中的第一个和第二个元素，当第一个元素的长度大于等于第二个元素时，将第一个元素保留下来，否则保留第二个元素。 第二次执行两两操作时，name1代表的是上一次操作中被保留下来的拥有较长长度的元素，name2代表的是第三个元素。 以此类推...最后得到的结果就是集合中第一个拥有最长长度的元素了。

实际上，reduce方法接受的Lambda表达式的行为被抽象成了BinaryOperator接口：

@FunctionalInterface
public interface BinaryOperator<T> extends BiFunction<T,T,T> {
    // others...
}

@FunctionalInterface
public interface BiFunction<T, U, R> {

    /**
     * Applies this function to the given arguments.
     *
     * @param t the first function argument
     * @param u the second function argument
     * @return the function result
     */
    R apply(T t, U u);

    // others...
}

源码也反映了BinaryOperator和另一个函数式接口BiFunction之间的关系，当BiFunction接口中接受的三个参数类型一致时，也就成为了一个BinaryOperator接口。因此，前者实际上是后者的一个特例。

另外需要注意的几点：

• reduce方法返回的对象类型时Optional，这是因为待操作的集合可能是空的。
• 当集合只有一个元素时，reduce会立即将该元素作为实际结果以Optional类型返回，不会调用传入的Lambda表达式。
• reduce方法是会按照集合的顺序对其元素进行两两操作的，可以额外传入一个值作为“基础值”或者“默认值”，那么在第一次进行两两操作时，第一个操作对象就是这个额外传入的值，第二个操作对象是集合中的第一个元素。

比如，以下代码为reduce方法传入了默认值：

final String steveOrLonger =
    friends.stream()
        .reduce("Steve", (name1, name2) ->
        name1.length() >= name2.length() ? name1 : name2);

元素连接

在过去，我们使用for循环来连接一个集合中的所有元素：

for(String name : friends) {
    System.out.print(name + ", ");
}
System.out.println();

上述代码的问题是，在最后一个名字后面也出现了讨人厌的逗号！为了修复这个问题：

for(int i = 0; i < friends.size() - 1; i++) {
    System.out.print(friends.get(i) + ", ");
}
if(friends.size() > 0)
    System.out.println(friends.get(friends.size() - 1));

嗯，结果是正确了，但是你能忍受如此丑陋的代码吗？

为了解决这个非常非常常见的问题，Java 8中终于引入了一个StringJoiner类。 可以通过调用String类型的join方法完成这个操作：

System.out.println(String.join(", ", friends));

StringJoiner其实还能够对元素的连接操作进行更多的控制。比如为每个元素添加前缀，后缀然后再进行连接。具体的使用方法可以去参考API文档。

当然，使用reduce方法也能够完成对于集合元素的连接操作，毕竟集合元素的连接也是一种归约。只不过，正如前面看到的那样，reduce方法太过于底层了。针对这个问题，Stream类型还定义了一个collect方法用来完成一些常见的归约操作：

System.out.println(friends.stream().map(String::toUpperCase).collect(Collectors.joining(", ")));

可见collect方法并不自己完成归约操作，它会将归约操作委托给一个具体的Collector，而Collectors类型则是一个工具类，其中定义了许多常见的归约操作，比如上述的joining Collector。