浅谈 Java 中的 Lambda 表达式

Java
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2024-01-09
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本文最后更新于 6 天前，其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

Lambda 表达式是一种匿名函数，它可以作为参数传递给方法或存储在变量中。在 Java8 中，它和函数式接口一起，共同构建了函数式编程的框架。

什么是函数式编程

函数式编程是一种编程范式，也是一种思想。

它将计算视为函数求值的过程，并强调函数的纯粹性和不可变性。在函数式编程中，函数被视为一等公民，可以作为参数传递、存储在变量中，并且函数的执行不会产生副作用。

例如，我们想要输出 List 中的全部元素，命令式编程看起来是下面这样：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        for (Integer item : list) {
            System.out.println(item);
        }       
    }
}

而在函数式编程的思想下，代码则看起来是下面这样：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        list.forEach(System.out::println);
    }
}

从以上的两个例子中，可以看出，命令式编程需要我们自己去实现具体的逻辑细节。而函数式编程则是调用 API 完成需求的实现，将原本命令式的代码写成一系列嵌套的函数调用。

由此可见，在函数式编程的思想下，我们将功能的具体细节隐藏，将其抽象为了函数式接口，这就使得具有规范、稳定、可组合、高复用的特点。

Lambda 与匿名内部类

既然函数式编程需要将功能抽象为接口，那么我们来回顾一下接口的使用。

接口作为 java 中的一种抽象类型，它定义了一组方法的签名（方法名、参数列表和返回类型），但没有具体的实现。

因此，要使用接口，就必须提供相应的实现类，或者包含实现接口的对象返回。例如，要想使用 List 接口，我们可以使用实现了该接口的实现类 ArrayList、LinkdeList 等，或者像上节例子一样，使用 Arrays.asList 的工厂方法返回了一个实现了 List 接口的 ArrayList 对象。

其中，对于实现类来说，由于接口只需要实现某种功能，我们完全可以使用匿名内部类来实现，例如，我们把输出 List 的全部元素抽象为一个接口 Show，其中提供了一个函数方法 ShowAllItems。

public interface Show {
    void ShowAllItems(List<Integer> arrayList);
}

继续沿用之前代码示例，现在要求输出 List 中的全部元素：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        Show show = new Show() {
            @Override
            public void ShowAllItems(List<Integer> arrayList) {
                for (Integer item : arrayList) System.out.println(item);
            }
        };
        show.ShowAllItems(list);
    }
}

上述代码中，由于接口 Show 其中只有一个抽象方法 ShowAllItems，如果单独为该接口实现一个类未免显得太过笨拙，因此我们在使用时直接使用匿名内部类的实现，通过这种方式创建一个临时的实现子类，这就令接口的使用更加灵活。

那么问题来了，如果我们后续仍要使用多次该接口，每次使用都以匿名内部类的方式来实现，会导致我们的代码太过臃肿，有没有更好的解决办法呢？

当然有的，这就是我们今天讨论的主人公—— Lambda 表达式，如果一个接口中有且只有一个待实现的抽象方法，那么我们可以将匿名内部类简写为 Lambda 表达式：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        Show show = param -> {
            for (Integer item : param) System.out.println(item);
        };
        show.ShowAllItems(list);
    }
}

也许上面的示例会使你感到困惑，下面我们来详细探讨一下 Lambda 表达式的基础语法。

Lambda 表达式基础语法

  • 标准格式为：([参数类型 参数名称,]...) ‐> { 代码语句，包括返回值 }
  • 和匿名内部类不同，Lambda 表达式仅支持接口，不支持抽象类。
  • 接口内部必须有且仅有一个抽象方法（可以有多个方法，但是必须保证其他方法有默认实现，必须留一个抽象方法出来）
  • Lambda 表达式可以在函数体中引用外部的变量，从而实现了闭包，但对进入闭包的变量有 final 的限制。

接下来，我们看一个简单示例，假设接口 Test 中有且仅有如下抽象方法：

public interface Test {
    String showTestNumber(Integer param);
}

利用上述接口，我们使用如下匿名内部类来实现该方法：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test() {
            @Override
            public String showTestNumber(Integer param) {
                return "Test number is " + param;
            }
        };
        System.out.println(test.showTestNumber(114));
    }
}

如果将其转换为 Lambda 的标准格式，则为：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = (Integer param) -> {
            return "Test number is " + param;
        };
        System.out.println(test.showTestNumber(514));
    }
}

由于该方法只需传递一个参数，因此可以省略参数类型及其括号：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = param -> {
            return "Test number is " + param;
        };
        System.out.println(test.showTestNumber(1919));
    }
}

又因为方法实现只有一条 return 语句，则后面的 { ... } 也可以省略：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = param -> "Test number is " + param;
        System.out.println(test.showTestNumber(810));
    }
}

此外，如果方法已经实现，我们可以利用方法引用：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = Main::showTestNumber;
        System.out.println(test.showTestNumber(721));
    }

    // 提取方法实现
    private static String showTestNumber(Integer param) {
        return "Test number is " + param;
    }
}

在上述示例代码中，Main::showTestNumber是一个方法引用，它引用了 Main 类中的静态方法 showTestNumber。该方法被赋值给 Test接口的实例变量 test。

关于方法引用的使用，我们在后面还会重新提到。但这里我需要先介绍一下关于闭包的特性。

闭包是一个函数（或过程），它可以访问并操作其作用域外部的变量。在 Java 中，可以通过 Lambda 表达式或方法引用来创建闭包。

其实，在 main 方法中，我们还可以通过调用 test.showTestNumber 来调用闭包。闭包中的方法 showTestNumber 可以访问并操作其作用域外部的变量。

为了更清晰地展示 Lambda 的闭包过程，我们使用如下示例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String Claim = "Test number is ";
        Test test = param -> Claim + param;
        System.out.println(test.showTestNumber(2333));
    }
}

在上述示例代码中，Lambda 表达式捕获了外部变量 Claim，并在 Lambda 表达式的范围之外（main()方法内部）调用闭包时仍然可以访问和使用该变量。

注意：Java8 不要求显式将闭包变量声明为 final，但如果你尝试修改闭包变量的值，则会报错。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String Claim = "Test number is ";
        Claim = "Yeah~ The number is ";  // 从lambda 表达式引用的本地变量必须是最终变量或实际上的最终变量
        Test test = param -> Claim + param;  
        System.out.println(test.showTestNumber(2333));
    }
}

Lambda 的应用

好了，你已经学会 1 + 1 = 2 了，现在来康康更实际的东西吧（

无参的函数式接口

以最常用的 Runnable 接口为例：

在 Java8 之前，如果需要新建一个线程，使用匿名内部类的写法是这样：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("哼哼哼啊啊啊~");
            }
        };
        runnable.run();
    }
}

如果使用 Lambda 表达式则看起来是这样；

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = () -> System.out.println("哼哼哼啊啊啊~");
        runnable.run();
    }
}

我们来看一下具体的 Runnable 接口：

@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

可以看到该接口上面有 @FunctionalInterface 注解，该注解标识了一个接口是函数式接口。因此，我们可以使用 Lambda 表达式将匿名内部类进行替换。

值得注意的是，@FunctionalInterface 注解并不是必须的，它只是作为一种提示和约束的工具。当我们在定义接口时，如果希望该接口只包含一个抽象方法，以便可以使用 Lambda 表达式或方法引用进行函数式编程，可以选择添加 @FunctionalInterface 注解来明确表达这个意图。

即使没有添加 @FunctionalInterface 注解，只要该接口符合函数式接口的定义（只有一个抽象方法），它仍然可以用于函数式编程。

带参的函数式接口

这里假设我们需要对一个数组进行排序：

在 Java8 之前，对数组进行排序可以使用 Arrays.sort 方法，如果需要指定排序规则，只需要实现其中的 Comparator 方法即可：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] array = new Integer[]{4, 5, 9, 3, 2, 8, 1, 0, 6};
        Arrays.sort(array, new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o1 - o2;
            }
        });
        System.out.println(Arrays.toString(array)); //按从小到大的顺序排列
    } 
}

转换为 Lambda 表达式可以是下面这样：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] array = new Integer[]{4, 5, 9, 3, 2, 8, 1, 0, 6};
        Arrays.sort(array, (o1, o2) -> o1 - o2);
        System.out.println(Arrays.toString(array)); //按从小到大的顺序排列
    }
}

方法引用

Java 方法引用是一种简化 Lambda 表达式的语法，用于直接引用已经存在的方法。方法引用可以通过以下几种方式来表示：

  1. 静态方法引用：引用静态方法，使用类名或者接口名作为前缀，后面跟上方法名。例如我们在之前例子中介绍过的 Main::showTestNumber。
  2. 实例方法引用：引用非静态方法，使用对象名或者对象引用作为前缀，后面跟上方法名。例如，objectName::instanceMethodName。
  3. 特定类的任意对象方法引用：引用特定类的实例方法，使用类名作为前缀，后面跟上方法名。例如，ClassName::instanceMethodName。
  4. 构造方法引用：引用构造方法，使用类名后面跟上 new 关键字。例如，ClassName::new。
  5. 数组构造方法引用：引用数组的构造方法，使用数组类型后面跟上 new 关键字。例如，TypeName[]::new。

需要注意的是，方法引用的适用条件是被引用的方法的签名（参数类型和返回类型）必须与函数式接口中的抽象方法的参数类型和返回类型相匹配。

我们使用上节数组排序的情景进行举例，即使我们已经利用 Lambda 表达式进行了大幅度的简化，但是这还不够，我们观察 Integer 类，其中有一个叫做 compare 的静态方法：

public static int compare(int x, int y) {
    return (x < y) ? -1 : ((x == y) ? 0 : 1);
}

该方法是一个静态方法，但是它却和 Comparator 需要实现的方法返回值和参数定义一模一样，因此我们直接进行方法引用：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] array = new Integer[]{4, 5, 9, 3, 2, 8, 1, 0, 6};
        Arrays.sort(array, Integer::compare);
        System.out.println(Arrays.toString(array)); //按从小到大的顺序排列
    }
}

如果不使用静态方法，而使用普通的成员方法，即在 Comparator 中，我们需要实现的方法为：

public int compare(Integer o1, Integer o2) {
     return o1 - o2;
}

其中 o1 和 o2 都是 Integer 类型，而在 Integer 类中有一个 compareTo 方法：

public int compareTo(Integer anotherInteger) {
    return compare(this.value, anotherInteger.value);
}

如果是以匿名内部类的方式实现，那么代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] array = new Integer[]{4, 5, 9, 3, 2, 8, 1, 0, 6};
        Arrays.sort(array, new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o1.compareTo(o2);
            }
        });
        System.out.println(Arrays.toString(array)); //按从小到大的顺序排列
    }
}

继续将上述匿名内部类替换为 Lambda 表达式如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] array = new Integer[]{4, 5, 9, 3, 2, 8, 1, 0, 6};
        Arrays.sort(array, (o1, o2) -> o1.compareTo(o2));
        System.out.println(Arrays.toString(array)); //按从小到大的顺序排列
    }
}

由于该方法并非静态方法，而是所属的实例对象所有，如果我们想要引用该方法，我们需要进行实例方法引用：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] array = new Integer[]{4, 5, 9, 3, 2, 8, 1, 0, 6};
        Arrays.sort(array, Integer::compareTo);
        System.out.println(Arrays.toString(array)); //按从小到大的顺序排列
    }
}

虽然看起来和刚才的静态方法引用没有什么区别，但实际上，当我们使用非静态方法时，会使用抽象方参数列表的第一个作为目标对象，后续参数作为目标对象成员方法的参数，即 o1 作为目标对象，o2 作为参数，正好匹配了 compareTo 方法。

对于构造方法引用，假设接口 Test 中有抽象方法 newTest：

public interface Test {
    String newTest(String param);
}

对于普通的 Lambda 替换，代码如下：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = param -> param;
        System.out.println(test.newTest("哼哼哼啊啊啊~"));
    }
}

而我们注意到该方法其实就是 String 中的构造方法，因此我们直接进行构造方法引用：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = String::new;
        System.out.println(test.newTest("哼哼哼啊啊啊~"));
    }
}

Lambda 表达式的本质

经过上面的学习，相信你已经可以熟练地使用 Lambda 表达式了，看起来 Lambda 只是一种简化匿名内部类进行实现接口的语法糖，但实际上，它们是两种本质不同的事物：

  • 匿名内部类本质是一个类，只是不需要我们显示地指定类名，编译器会自动为该类取名。
  • 而 Lambda 表达式本质是一个函数，当然，编译器也会为它取名，在 JVM 层面，这是通过 invokedynamic 指令实现的，编译器会将 Lambda 表达式转化为一个私有方法，并在需要的时候动态地生成一个函数式接口的实例。

假设我们使用上述 Runnable 的匿名内部类的代码进行编译，可以看到结果如下：

image-20230827223157677

可以看到， Main$1.class 实际上就是 Main 类中生成的匿名内部类文件，而将其替换为 Lambda 表达式后编译的结果如下：

image-20230827224417232

没有生成单独的类文件，即，匿名内部类对应的是一个 class 文件，而 Lambda 表达式对应的是它所在主类的一个私有方法。

参考文献

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