Java 函数式编程详细介绍

绝地灬酷狼 2024-03-22 16:18 16阅读 0赞

在兼顾面向对象特性的基础上，Java语言通过Lambda表达式与方法引用等，为开发者打开了函数式编程的大门。 下面我们做一个初探。

## Lambda的延迟执行 ##

有些场景的代码执行后，结果不一定会被使用，从而造成性能浪费。而Lambda表达式是延迟执行的，这正好可以 作为解决方案，提升性能。

### 性能浪费的日志案例 ###

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>注：日志可以帮助我们快速的定位问题，记录程序运行过程中的情况，以便项目的监控和优化。</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

一种典型的场景就是对参数进行有条件使用，例如对日志消息进行拼接后，在满足条件的情况下进行打印输出：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public class Demo01Logger { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static void main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgA = "Hello ";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgB = "World ";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgC = "Java";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>log(1, msgA + msgB + msgC);</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>private static void log(int level, String mgs) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>if (level == 1) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println(mgs);</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这段代码存在问题：无论级别 level 是否满足要求，作为 log 方法的第二个参数，三个字符串一定会首先被拼接并传入方法内，然后才会进行级别判断。如果级别不符合要求，那么字符串的拼接操作就白做了，存在性能浪费。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>备注：SLF4J是应用非常广泛的日志框架，它在记录日志时为了解决这种性能浪费的问题，并不推荐首先进行 字符串的拼接，而是将字符串的若干部分作</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>为可变参数传入方法中，仅在日志级别满足要求的情况下才会进 行字符串拼接。例如: LOGGER.debug("变量{}的取值为{}。", "os", "macOS") ，</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>其中的大括号 {} 为占位 符。如果满足日志级别要求，则会将“os”和“macOS”两个字符串依次拼接到大括号的位置;否则不会进行字 符串拼接。这也是</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>一种可行解决方案，但Lambda可以做到更好。</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 体验Lambda的更优写法 ###

使用Lambda必然需要一个函数式接口：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>@FunctionalInterface</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public interface MessageBuilder { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>/**</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* 信息生成器</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* @return 生成的信息</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>*/</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public abstract String builderMessage();</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

然后对 log 方法进行改造：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public class Demo02Logger { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static void main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgA = "Hello ";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgB = "World ";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgC = "Java";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>log(1, () -&gt; msgA + msgB + msgC);</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>private static void log(int level, MessageBuilder mb) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>if (level == 1) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println(mb.builderMessage());</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

改造前后的对比：

![c5207d35eed3150be11ed434eb26d16f.png][]

这样一来，只有当级别满足要求的时候，才会进行三个字符串的拼接;否则三个字符串将不会进行拼接。

### 证明Lambda的延迟 ###

下面的代码可以通过结果进行验证：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public class Demo03Logger { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static void main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgA = "Hello ";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgB = "World ";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgC = "Java";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>log(2, () -&gt; { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println("Lambada 执行！");</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>return msgA + msgB + msgC;</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>});</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>private static void log(int level, MessageBuilder mb) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>if (level == 1) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println(mb.builderMessage());</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

这里只是在调用 log 方法的时候，将传入的Lambda稍作修改，

当传入的 level = 1 的时候，控制台输出：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>Lambada 执行！</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>Hello World Java</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

当传入的 level != 1 的时候，控制台没有输出。

从结果中可以看出，在不符合级别要求的情况下，Lambda将不会执行。从而达到节省性能的效果。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>扩展：实际上使用内部类也可以达到同样的效果，只是将代码操作延迟到了另外一个对象当中通过调用方法来完成。而是否调</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>用其所在方法是在条件判断之后才执行的。</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public class Demo04Logger { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static void main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgA = "Hello ";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgB = "World ";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String msgC = "Java";</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>log(1, new MessageBuilder() { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>@Override</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public String builderMessage() { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println("Lambada 执行！");</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>return msgA + msgB + msgC;</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>});</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>private static void log(int level, MessageBuilder mb) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>if (level == 1) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println(mb.builderMessage());</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 使用Lambda作为参数和返回值 ##

如果抛开实现原理不说，Java中的Lambda表达式可以被当作是匿名内部类的替代品。如果方法的参数是一个函数式接口类型，那么就可以使用Lambda表达式进行替代。使用Lambda表达式作为方法参数，其实就是使用函数式 接口作为方法参数。

### Lambda作为参数 ###

例如 java.lang.Runnable 接口就是一个函数式接口，假设有一个 startThread 方法使用该接口作为参数，那么就可以使用Lambda进行传参。这种情况其实和 Thread 类的构造方法参数为 Runnable 没有本质区别。

匿名内部类作为参数，创建新的线程并执行：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public class Demo01Runnable { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static void main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>startThread(new Runnable() { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>@Override</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public void run() { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println("线程任务执行!");</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>});</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>/**</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* 创建一个新的线程，赋予任务，然后开启线程</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* @param runnable 传入Thread类的接口，实现创建新线程</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>*/</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>private static void startThread(Runnable runnable) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>new Thread(runnable).start();</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

运行程序，控制台输出：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>线程任务执行!</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Lambda作为参数，创建新的线程并执行：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public class Demo02Runnable { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static void main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>startThread(</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>() -&gt; System.out.println("线程任务执行!")</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>);</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>/**</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* 创建一个新的线程，赋予任务，然后开启线程</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* @param runnable 传入Thread类的接口，实现创建新线程</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>*/</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>private static void startThread(Runnable runnable) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>new Thread(runnable).start();</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

运行程序，控制台输出：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>线程任务执行!</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### Lambda作为返回值 ###

类似地，如果一个方法的返回值类型是一个函数式接口，那么就可以直接返回一个Lambda表达式。当需要通过一个方法来获取一个 java.util.Comparator 接口类型的对象作为排序器时,就可以调该方法获取。

Lambda作为返回值，字符串的长短比较：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>import java.util.Arrays;</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>import java.util.Comparator;</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public class DemoComparator { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static void main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String[] array = { "abc", "ab", "a" };</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println("使用比较器比较之前：" + Arrays.toString(array));</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>Arrays.sort(array, newComparator());</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println("使用比较器比较之后：" + Arrays.toString(array));</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>/**</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* 字符串a、b的长短比较，自己定义比较器规则，生序排序，字符串长的排在后面。</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* @return 布尔值，</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* a.length() - b.length() &lt; 0 返回 false，</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* a.length() - b.length() &gt; 0 返回 true，</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>* a.length() = b.length() 返回 0</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>*/</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static Comparator&lt;String&gt; newComparator() { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>return (a, b) -&gt; a.length() - b.length();</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

匿名内部类作为返回值，字符串的长短比较：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>import java.util.Arrays;</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>import java.util.Comparator;</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public class DemoComparator { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static void main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>String[] array = { "abc", "ab", "a" };</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println("使用比较器比较之前：" + Arrays.toString(array));</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>Arrays.sort(array, newComparator());</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>System.out.println("使用比较器比较之后：" + Arrays.toString(array));</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public static Comparator&lt;String&gt; newComparator1() { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>return new Comparator&lt;String&gt;() { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>@Override</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>public int compare(String o1, String o2) { </code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>return o1.length() - o2.length();</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>};</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>}</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

运行程序，控制台输出一样：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>使用比较器比较之前：[abc, ab, a]</code></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td><code>使用比较器比较之后：[a, ab, abc]</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[c5207d35eed3150be11ed434eb26d16f.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/22/056babcb79e844079fb10362cd93b889.png