深入學(xué)習(xí) Java 中的 Lambda

前言

我花了相當(dāng)多的閱讀和編碼時間才最終理解Java Lambdas如何在概念上正常工作的。我閱讀的大多數(shù)教程和介紹都遵循自頂向下的方法，從用例開始，最后以概念性問題結(jié)束。在這篇文章中，我想提供一個自下而上的解釋，從其他已建立的Java概念中推導(dǎo)出Lambdas的概念。

首先介紹下方法的類型化，這是支持方法作為一流公民的先決條件?；诖?，Lambdas的概念是被以匿名類用法的進化和特例提出的。所有這一切都通過實現(xiàn)和使用高階函數(shù)映射來說明。

這篇文章的主要受眾是那些已掌握函數(shù)式編程基礎(chǔ)的人，以及那些想從概念上理解Lambdas如何嵌入Java語言的人。

方法類型

從Java 8起方法就是一等公民了。按照標(biāo)準(zhǔn)的定義，編程語言中的一等公民是一個具有下列功能的實體，

• 可以作為參數(shù)進行傳遞,
• 可以作為方法的返回值
• 可以賦值給一個變量.

在Java中，每一個參數(shù)、返回值或變量都是有類型的，因此每個一等公民都必須是有類型的。Java中的一種類型可以是以下內(nèi)容之一：

• 一種內(nèi)建類型 (比如 int 或者 double)
• 一個類 (比如ArrayList)
• 一個接口 (比如 Iterable)

方法是通過接口進行定義類型的。它們不隱式的實現(xiàn)特定接口，但是在必要的時候，如果一個方法符合一個接口，那么在編譯期間，Java編譯器會對其進行隱式的檢查。舉個例子說明：

class LambdaMap {
static void oneStringArgumentMethod(String arg) {
System.out.println(arg);
}
}

關(guān)于oneStringArgumentMethod函數(shù)的類型，與之相關(guān)的有：它的的函數(shù)是靜態(tài)的，返回類型是void，它接受一個String類型的參數(shù)。一個靜態(tài)函數(shù)符合包含一個apply函數(shù)的接口，apply函數(shù)的簽名相應(yīng)地符合這個靜態(tài)函數(shù)的簽名。

oneStringArgumentMethod函數(shù)對應(yīng)的接口因此必須符合下列標(biāo)準(zhǔn)。

• 它必須包含一個名為apply的函數(shù)。
• 函數(shù)返回類型必須是void。
• 函數(shù)必須接受一個String類型可以轉(zhuǎn)換到的對象的參數(shù)。

在符合這個標(biāo)準(zhǔn)的接口之中，下面的這個是最明確的：

interface OneStringArgumentInterface {
void apply(String arg);
}

利用這個接口，函數(shù)可以分配給一個變量：

OneStringArgumentInterface meth = LambdaMap::oneStringArgumentMethod;

用這種方法使用接口作為類型，函數(shù)可以借此被分配給變量，傳遞參數(shù)并且從函數(shù)返回：

static OneStringArgumentInterface getWriter() {
return LambdaMap::oneStringArgumentMethod;
}
static void write(OneStringArgumentInterface writer, String msg) {
writer.apply(msg);
}

最終函數(shù)是一等公民。

泛型函數(shù)類型

就像使用集合一樣，泛型為函數(shù)類型增加了大量的功能和靈活性。實現(xiàn)功能上的算法而不考慮類型相關(guān)信息，泛型函數(shù)類型使其變?yōu)榭赡?。在對map函數(shù)的實現(xiàn)中，會在下面用到這種功能。

在這提供的OneStringArgumentInterface一個泛型版本：

interface OneArgumentInterface<T> {
void apply(T arg);
}

OneStringArgumentInterface函數(shù)可以被分配給它：

OneArgumentInterface<String> meth = LambdaMap::oneStringArgumentMethod;

通過使用泛型函數(shù)類型，它現(xiàn)在可以以一種通用的方法實現(xiàn)算法，就像它在集合中使用的一樣：

static <T> void applyArgument(OneArgumentInterface<T> meth, T arg) {
meth.apply(arg);
}

上面的函數(shù)并沒有什么用，然而它至少可以提出一個想法：對函數(shù)作為第一個類成員的支持怎樣可以形成非常簡潔且靈活的代碼：

applyArgument(Lambda::oneStringArgumentMethod, "X");

實現(xiàn)map

在諸多高階函數(shù)中，map是最經(jīng)典的. map的第一個參數(shù)是函數(shù)，該函數(shù)可以接收一個參數(shù)并返回一個值；第二個參數(shù)是值列表. map使用傳入的函數(shù)處理值列表的每一項，然后返回一個新的值列表。下面Python的代碼片段，可以很好的說明map的用法：

>>> map(math.sqrt, [1, 4, 9, 16])
[1.0, 2.0, 3.0, 4.0]

在本節(jié)的后續(xù)內(nèi)容中，將給出該函數(shù)的Java實現(xiàn)。Java 8已經(jīng)通過Stream提供了該函數(shù)。因為主要出于教學(xué)目的，所以，本節(jié)中給出的實現(xiàn)特意保持簡單，僅限于List對象使用。

與Python不同，在Java中必須首先考慮map第一個參數(shù)的類型：一個可以接收一個參數(shù)并返回一個值的方法。參數(shù)的類型和返回值的類型可以不同。下面接口符合這個預(yù)期，顯然，I表示參數(shù)（入?yún)ⅲ?，O表示返回值（出參）：

interface MapFunction<I, O> {
O apply(I in);
}

泛型map方法的實現(xiàn)，變得驚人的簡單明了：

static <I, O> List<O> map(MapFunction<I, O> func, List<I> input) {
List<O> out = new ArrayList<>();
for (I in : input) {
out.add(func.apply(in));
}
return out;
}

1.創(chuàng)建新的返回值列表out(用于保存O類型的對象).

2.通過遍歷input，func處理列表的每一項，并將返回值添加到out中。

3.返回out.

下面是實際使用map方法的實例：

MapFunction<Integer, Double> func = Math::sqrt;
List<Double> output = map(func, Arrays.asList(1., 4., 9., 16.));
System.out.println(output);

在Python one-liner的推動下，可以用更簡潔的方法表達：

System.out.println(map(Math::sqrt, Arrays.asList(1., 4., 9., 16.)));

Java畢竟不是Python...

Lambdas來了！

讀者可能會注意到，還沒有提到Lambdas。這是由于采用了“自下而上”的方式描述，現(xiàn)在基礎(chǔ)已基本建立，Lambdas將在后續(xù)的章節(jié)中介紹。

下面的用例作為基礎(chǔ):一個double類型的list，表示半徑，然后得到一個列表，表示圓面積。map方法就是為此任務(wù)預(yù)先準(zhǔn)備的。計算圓面積的公式是眾所周知的：

A = r2π

應(yīng)用這個公式的方法很容易實現(xiàn)：

static Double circleArea(Double radius) {
return Math.pow(radius, 2) * Math.PI;
}

這個方法現(xiàn)在可以用作map方法的第一個參數(shù):

System.out.println(
map(LambdaMap::circleArea,
Arrays.asList(1., 4., 9., 16.)));

如果circleArea方法只需要這一次, 沒有道理把類接口被他弄得亂七八糟，也沒有道理將實現(xiàn)和真正使用它的地方分離。最佳實踐是使用用匿名內(nèi)部類。可以看到，實例化一個實現(xiàn)MapFunction接口的匿名內(nèi)部類可以很好的完成這個任務(wù)：

System.out.println(
map(new MapFunction<Double, Double>() {
public Double apply(Double radius) {
return Math.sqrt(radius) * Math.PI;
}
},
Arrays.asList(1., 2., 3., 4.)));

這看起來很漂亮，但是很多人會認為函數(shù)式的解決方案更清晰，更具可讀性:

List<Double> out = new ArrayList<>();
for (Double radius : Arrays.asList(1., 2., 3., 4.)) {
out.add(Math.sqrt(radius) * Math.PI);
}
System.out.println(out);

到目前為止，最后是使用Lambda表達式。 讀者應(yīng)該注意Lambda如何取代上面提到的匿名類:

System.out.println(
map(radius -> { return Math.sqrt(radius) * Math.PI; },
Arrays.asList(1., 2., 3., 4.)));

這看起來簡潔明了 - 請注意 Lambda 表達式如何缺省任何明確的類型信息。 沒有顯式模板實例化，沒有方法簽名。

Lambda表達式由兩部分組成，這兩部分被->分隔。第一部分是參數(shù)列表，第二部分是實際實現(xiàn)。

Lambda表達式和匿名內(nèi)部類作用完全相同，然而它摒棄了許多編譯器可以自動推斷的樣板代碼。讓我們再次比較這兩種方式，然后分析編譯器為開發(fā)人員節(jié)省了哪些工作。

MapFunction<Double, Double> functionLambda =
radius -> Math.sqrt(radius) * Math.PI;
MapFunction<Double, Double> functionClass =
new MapFunction<Double, Double>() {
public Double apply(Double radius) {
return Math.sqrt(radius) * Math.PI;
}
};

• 對于Lambda實現(xiàn)來說，只有一個表達式，返回語句和花括號可以省略。這使得代碼更簡短。
• Lambda表達式的返回值類型是從Lambda實現(xiàn)推斷出來的。
• 對于參數(shù)類型，我不完全確定，但我認為必須從Lambda表達式所處的上下文中推斷出參數(shù)類型。
• 最后編譯器必須檢查返回值類型是否與Lambda的上下文匹配，以及參數(shù)類型是否與Lambda實現(xiàn)匹配。

這一切都可以在編譯期間完成，根本沒有運行時開銷。

結(jié)語

總而言之，Java中的Lambdas的概念是整潔的。我支持編寫更簡潔、更清晰的代碼，并讓程序員免于編寫可由編譯器自動推斷的架手架代碼。它是語法糖，如上所述，它只不過是使用匿名類也能實現(xiàn)的功能。然而，我會說它是非常甜的語法糖。

另一方面，Lambdas還支持更加混淆以及難以調(diào)試的代碼。Python社區(qū)很早就意識到了這一點 - 雖然Python也有Lambda，但它若被廣泛使用則通常被認為是不好的風(fēng)格（當(dāng)嵌套函數(shù)可以被使用時，它并不難于規(guī)避）。對于Java來說，我會給出類似的建議。

毫無疑問，在某些情況下，使用Lambdas會導(dǎo)致代碼大大縮減并更易讀，尤其在與流有關(guān)時。在其他情況下，如果采取更保守的做法和最佳實踐，另外一種方法可能會是更好的替代。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持億速云。