本系列文章經補充和完善，已修訂整理成書《Java程式設計的邏輯》（馬俊昌著），由機械工業出版社華章分社出版，於2018年1月上市熱銷，讀者好評如潮！各大網店和書店有售，歡迎購買：京東自營連結
在之前的章節中，我們的討論基本都是基於Java 7的，從本節開始，我們探討Java 8的一些特性，主要內容包括：
- 傳遞行為程式碼 - Lambda表示式
- 函式式資料處理 - 流
- 組合式非同步程式設計 - CompletableFuture
- 新的日期和時間API
本節，我們先討論Lambda表示式，它是什麼？有什麼用呢？
Lambda表示式是Java 8新引入的一種語法， 是一種緊湊的傳遞程式碼的方式，它的名字來源於學術界的λ演算，具體我們就不探討了。
理解Lambda表示式，我們先回顧一下介面、匿名內部類和程式碼傳遞。
通過介面傳遞程式碼
我們在19節介紹過介面以及面向介面的程式設計，針對介面而非具體型別進行程式設計，可以降低程式的耦合性、提高靈活性、提高複用性。介面常被用於傳遞程式碼，比如，在59節，我們介紹過File的如下方法：
public String[] list(FilenameFilter filter)
public File[] listFiles(FilenameFilter filter)
複製程式碼list和listFiles需要的其實不是FilenameFilter物件，而是它包含的如下方法：
boolean accept(File dir, String name);
複製程式碼或者說，list和listFiles希望接受一段方法程式碼作為引數，但沒有辦法直接傳遞這個方法程式碼本身，只能傳遞一個介面。
再比如，我們在53節介紹過Collections的一些演算法，很多方法都接受一個引數Comparator，比如：
public static <T> int binarySearch(List<? extends T> list, T key, Comparator<? super T> c)
public static <T> T max(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp)
public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c)
複製程式碼它們需要的也不是Comparator物件，而是它包含的如下方法：
int compare(T o1, T o2);
複製程式碼但是，沒有辦法直接傳遞方法，只能傳遞一個介面。
我們在77節介紹過非同步任務執行服務ExecutorService，提交任務的方法有：
<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);
複製程式碼Callable和Runnable介面也用於傳遞任務程式碼。
通過介面傳遞行為程式碼，就要傳遞一個實現了該介面的例項物件，在之前的章節中，最簡潔的方式是使用匿名內部類，比如：
//列出當前目錄下的所有字尾為.txt的檔案
File f = new File(".");
File[] files = f.listFiles(new FilenameFilter(){
@Override
public boolean accept(File dir, String name) {
if(name.endsWith(".txt")){
return true;
}
return false;
}
});
複製程式碼將files按照檔名排序，程式碼為：
Arrays.sort(files, new Comparator<File>() {
@Override
public int compare(File f1, File f2) {
return f1.getName().compareTo(f2.getName());
}
});
複製程式碼提交一個最簡單的任務，程式碼為：
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(100);
executor.submit(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("hello world");
}
});
複製程式碼Lambda表示式
語法
Java 8提供了一種新的緊湊的傳遞程式碼的語法 - Lambda表示式。對於前面列出檔案的例子，程式碼可以改為：
File f = new File(".");
File[] files = f.listFiles((File dir, String name) -> {
if (name.endsWith(".txt")) {
return true;
}
return false;
});
複製程式碼可以看出，相比匿名內部類，傳遞程式碼變得更為直觀，不再有實現介面的模板程式碼，不再宣告方法，也名字也沒有，而是直接給出了方法的實現程式碼。Lambda表示式由->分隔為兩部分，前面是方法的引數，後面{}內是方法的程式碼。
上面程式碼可以簡化為：
File[] files = f.listFiles((File dir, String name) -> {
return name.endsWith(".txt");
});
複製程式碼當主體程式碼只有一條語句的時候，括號和return語句也可以省略，上面程式碼可以變為：
File[] files = f.listFiles((File dir, String name) -> name.endsWith(".txt"));
複製程式碼注意，沒有括號的時候，主體程式碼是一個表示式，這個表示式的值就是函式的返回值，結尾不能加分號;，也不能加return語句。
方法的引數型別宣告也可以省略，上面程式碼還可以繼續簡化為：
File[] files = f.listFiles((dir, name) -> name.endsWith(".txt"));
複製程式碼之所以可以省略方法的引數型別，是因為Java可以自動推斷出來，它知道listFiles接受的引數型別是FilenameFilter，這個介面只有一個方法accept，這個方法的兩個引數型別分別是File和String。
這樣簡化下來，程式碼是不是簡潔清楚多了?
排序的程式碼用Lambda表示式可以寫為：
Arrays.sort(files, (f1, f2) -> f1.getName().compareTo(f2.getName()));
複製程式碼提交任務的程式碼用Lambda表示式可以寫為：
executor.submit(()->System.out.println("hello"));
複製程式碼引數部分為空，寫為()。
當引數只有一個的時候，引數部分的括號可以省略，比如，File還有如下方法：
public File[] listFiles(FileFilter filter)
複製程式碼FileFilter的定義為：
public interface FileFilter {
boolean accept(File pathname);
}
複製程式碼使用FileFilter重寫上面的列舉檔案的例子，程式碼可以為：
File[] files = f.listFiles(path -> path.getName().endsWith(".txt"));
複製程式碼變數引用
與匿名內部類類似，Lambda表示式也可以訪問定義在主體程式碼外部的變數，但對於區域性變數，它也只能訪問final型別的變數，與匿名內部類的區別是，它不要求變數宣告為final，但變數事實上不能被重新賦值。比如：
String msg = "hello world";
executor.submit(()->System.out.println(msg));
複製程式碼可以訪問區域性變數msg，但msg不能被重新賦值，如果這樣寫：
String msg = "hello world";
msg = "good morning";
executor.submit(()->System.out.println(msg));
複製程式碼Java編譯器會提示錯誤。
這個原因與匿名內部類是一樣的，Java會將msg的值作為引數傳遞給Lambda表示式，為Lambda表示式建立一個副本，它的程式碼訪問的是這個副本，而不是外部宣告的msg變數。如果允許msg被修改，則程式設計師可能會誤以為Lambda表示式會讀到修改後的值，引起更多的混淆。
為什麼非要建副本，直接訪問外部的msg變數不行嗎？不行，因為msg定義在棧中，當Lambda表示式被執行的時候，msg可能早已被釋放了。如果希望能夠修改值，可以將變數定義為例項變數，或者，將變數定義為陣列，比如：
String[] msg = new String[]{"hello world"};
msg[0] = "good morning";
executor.submit(()->System.out.println(msg[0]));
複製程式碼與匿名內部類比較
從以上內容可以看出，Lambda表示式與匿名內部類很像，主要就是簡化了語法，那它是不是語法糖，內部實現其實就是內部類呢？答案是否定的， Java會為每個匿名內部類生成一個類，但Lambda表示式不會，Lambda表示式通常比較短，為每個表示式生成一個類會生成大量的類，效能會受到影響。
Java利用了Java 7引入的為支援動態型別語言引入的invokedynamic指令、方法控制程式碼(method handle)等，具體實現比較複雜，我們就不探討了，感興趣可以參看cr.openjdk.java.net/~briangoetz…，我們需要知道的是，Java的實現是非常高效的，不用擔心生成太多類的問題。
Lambda表示式不是匿名內部類，那它的型別到底是什麼呢？是 函式式介面。
函式式介面
Java 8引入了函式式介面的概念， 函式式介面也是介面，但只能有一個抽象方法，前面提及的介面都只有一個抽象方法，都是函式式介面。之所以強調是"抽象"方法，是因為Java 8中還允許定義其他方法，我們待會會談到。Lambda表示式可以賦值給函式式介面，比如：
FileFilter filter = path -> path.getName().endsWith(".txt");
FilenameFilter fileNameFilter = (dir, name) -> name.endsWith(".txt");
Comparator<File> comparator = (f1, f2) -> f1.getName().compareTo(f2.getName());
Runnable task = () -> System.out.println("hello world");
複製程式碼如果看這些介面的定義，會發現它們都有一個註解@FunctionalInterface，比如：
@FunctionalInterface
public interface Runnable {
public abstract void run();
}
複製程式碼@FunctionalInterface用於清晰地告知使用者，這是一個函式式介面，不過，這個註解不是必需的，不加，只要只有一個抽象方法，也是函式式介面。但如果加了，而又定義了超過一個抽象方法，Java編譯器會報錯，這類似於我們在85節介紹的Override註解。
預定義的函式式介面
介面列表
Java 8定義了大量的預定義函式式介面，用於常見型別的程式碼傳遞，這些函式定義在包java.util.function下，主要的有：
對於基本型別boolean, int, long和double，為避免裝箱/拆箱，Java 8提供了一些專門的函式，比如，int相關的主要函式有：
這些函式有什麼用呢？它們被大量使用於Java 8的函式式資料處理Stream相關的類中，關於Stream，我們下節介紹。
即使不使用Stream，也可以在自己的程式碼中直接使用這些預定義的函式，我們看一些簡單的示例。
Predicate示例
為便於舉例，我們先定義一個簡單的學生類Student，有name和score兩個屬性，如下所示，我們省略了getter/setter方法。
static class Student {
String name;
double score;
public Student(String name, double score) {
this.name = name;
this.score = score;
}
}
複製程式碼有一個學生列表:
List<Student> students = Arrays.asList(new Student[] {
new Student("zhangsan", 89d),
new Student("lisi", 89d),
new Student("wangwu", 98d) });
複製程式碼在日常開發中，列表處理的一個常見需求是過濾，列表的型別經常不一樣，過濾的條件也經常變化，但主體邏輯都是類似的，可以藉助Predicate寫一個通用的方法，如下所示：
public static <E> List<E> filter(List<E> list, Predicate<E> pred) {
List<E> retList = new ArrayList<>();
for (E e : list) {
if (pred.test(e)) {
retList.add(e);
}
}
return retList;
}
複製程式碼這個方法可以這麼用：
// 過濾90分以上的
students = filter(students, t -> t.getScore() > 90);
複製程式碼Function示例
列表處理的另一個常見需求是轉換，比如，給定一個學生列表，需要返回名稱列表，或者將名稱轉換為大寫返回，可以藉助Function寫一個通用的方法，如下所示：
public static <T, R> List<R> map(List<T> list, Function<T, R> mapper) {
List<R> retList = new ArrayList<>(list.size());
for (T e : list) {
retList.add(mapper.apply(e));
}
return retList;
}
複製程式碼根據學生列表返回名稱列表的程式碼可以為：
List<String> names = map(students, t -> t.getName());
複製程式碼將學生名稱轉換為大寫的程式碼可以為：
students = map(students, t -> new Student(t.getName().toUpperCase(), t.getScore()));
複製程式碼Consumer示例
在上面轉換學生名稱為大寫的例子中，我們為每個學生建立了一個新的物件，另一種常見的情況是直接修改原物件，具體怎麼修改通過程式碼傳遞，這時，可以用Consumer寫一個通用的方法，比如：
public static <E> void foreach(List<E> list, Consumer<E> consumer) {
for (E e : list) {
consumer.accept(e);
}
}
複製程式碼上面轉換為大寫的例子可以改為：
foreach(students, t -> t.setName(t.getName().toUpperCase()));
複製程式碼以上這些示例主要用於演示函式式介面的基本概念，實際中應該使用下節介紹的流API。
方法引用
基本用法
Lambda表示式經常就是呼叫物件的某個方法，比如：
List<String> names = map(students, t -> t.getName());
複製程式碼這時，它可以進一步簡化，如下所示：
List<String> names = map(students, Student::getName);
複製程式碼Student::getName這種寫法，是Java 8引入的一種新語法，稱之為
方法引用，它是Lambda表示式的一種簡寫方法，由::分隔為兩部分，前面是類名或變數名，後面是方法名。方法可以是例項方法，也可以是靜態方法，但含義不同。
我們看一些例子，還是以Student為例，先增加一個靜態方法：
public static String getCollegeName(){
return "Laoma School";
}
複製程式碼靜態方法
對於靜態方法，如下語句：
Supplier<String> s = Student::getCollegeName;
複製程式碼等價於：
Supplier<String> s = () -> Student.getCollegeName();
複製程式碼它們的引數都是空，返回型別為String。
例項方法
而對於例項方法，它第一個引數就是該型別的例項，比如，如下語句：
Function<Student, String> f = Student::getName;
複製程式碼等價於：
Function<Student, String> f = (Student t) -> t.getName();
複製程式碼對於Student::setName，它是一個BiConsumer，即：
BiConsumer<Student, String> c = Student::setName;
複製程式碼等價於：
BiConsumer<Student, String> c = (t, name) -> t.setName(name);
複製程式碼通過變數引用方法
如果方法引用的第一部分是變數名，則相當於呼叫那個物件的方法，比如：
Student t = new Student("張三", 89d);
Supplier<String> s = t::getName;
複製程式碼等價於：
Supplier<String> s = () -> t.getName();
複製程式碼而：
Consumer<String> consumer = t::setName;
複製程式碼等價於：
Consumer<String> consumer = (name) -> t.setName(name);
複製程式碼構造方法
對於構造方法，方法引用的語法是<類名>::new，如Student::new，如下語句：
BiFunction<String, Double, Student> s = (name, score) -> new Student(name, score);
複製程式碼等價於：
BiFunction<String, Double, Student> s = Student::new;
複製程式碼函式的複合
在前面的例子中，函式式介面都用作方法的引數，其他部分通過Lambda表示式傳遞具體程式碼給它，函式式介面和Lambda表示式還可用作方法的返回值，傳遞程式碼回撥用者，將這兩種用法結合起來，可以構造複合的函式，使程式簡潔易讀。
下面我們會看一些例子，在介紹例子之前，我們先需要介紹Java 8對介面的增強。
介面的靜態方法和預設方法
在Java 8之前，介面中的方法都是抽象方法，都沒有實現體，Java 8允許在介面中定義兩類新方法：靜態方法和預設方法，它們有實現體，比如：
public interface IDemo {
void hello();
public static void test() {
System.out.println("hello");
}
default void hi() {
System.out.println("hi");
}
}
複製程式碼test()就是一個靜態方法，可以通過IDemo.test()呼叫。在介面不能定義靜態方法之前，相關的靜態方法往往定義在單獨的類中，比如，Collection介面有一個對應的單獨的類Collections，在Java 8中，就可以直接寫在介面中了，比如Comparator介面就定義了多個靜態方法。
hi()是一個預設方法，由關鍵字default標識，預設方法與抽象方法都是介面的方法，不同在於，它有預設的實現，實現類可以改變它的實現，也可以不改變。引入預設方法主要是函式式資料處理的需求，是為了便於給介面增加功能。
在沒有預設方法之前，Java是很難給介面增加功能的，比如List介面，因為有太多非Java JDK控制的程式碼實現了該介面，如果給介面增加一個方法，則那些介面的實現就無法在新版Java 上執行，必須改寫程式碼，實現新的方法，這顯然是無法接受的。函式式資料處理需要給一些介面增加一些新的方法，所以就有了預設方法的概念，介面增加了新方法，而介面現有的實現類也不需要必須實現它。
看一些例子，List介面增加了sort方法，其定義為：
default void sort(Comparator<? super E> c) {
Object[] a = this.toArray();
Arrays.sort(a, (Comparator) c);
ListIterator<E> i = this.listIterator();
for (Object e : a) {
i.next();
i.set((E) e);
}
}
複製程式碼Collection介面增加了stream方法，其定義為：
default Stream<E> stream() {
return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
}
複製程式碼需要說明的是，即使能定義方法體了，介面與抽象類還是不一樣的，介面中不能定義例項變數，而抽象類可以。
瞭解了靜態方法和預設方法，我們看一些利用它們實現複合函式的例子。
Comparator中的複合方法
Comparator介面定義瞭如下靜態方法：
public static <T, U extends Comparable<? super U>> Comparator<T> comparing(
Function<? super T, ? extends U> keyExtractor)
{
Objects.requireNonNull(keyExtractor);
return (Comparator<T> & Serializable)
(c1, c2) -> keyExtractor.apply(c1).compareTo(keyExtractor.apply(c2));
}
複製程式碼這個方法是什麼意思呢？它用於構建一個Comparator，比如，在前面的例子中，對檔案按照檔名排序的程式碼為：
Arrays.sort(files, (f1, f2) -> f1.getName().compareTo(f2.getName()));
複製程式碼使用comparing方法，程式碼可以簡化為：
Arrays.sort(files, Comparator.comparing(File::getName));
複製程式碼這樣，程式碼的可讀性是不是大大增強了？comparing方法為什麼能達到這個效果呢？它構建並返回了一個符合Comparator介面的Lambda表示式，這個Comparator接受的引數型別是File，它使用了傳遞過來的函式程式碼keyExtractor將File轉換為String進行比較。像comparing這樣使用複合方式構建並傳遞程式碼並不容易閱讀和理解，但呼叫者很方便，也很容易理解。
Comparator還有很多預設方法，我們看兩個：
default Comparator<T> reversed() {
return Collections.reverseOrder(this);
}
default Comparator<T> thenComparing(Comparator<? super T> other) {
Objects.requireNonNull(other);
return (Comparator<T> & Serializable) (c1, c2) -> {
int res = compare(c1, c2);
return (res != 0) ? res : other.compare(c1, c2);
};
}
複製程式碼reversed返回一個新的Comparator，按原排序逆序排。thenComparing也是一個返回一個新的Comparator，在原排序認為兩個元素排序相同的時候，使用提供的other Comparator進行比較。
看一個使用的例子，將學生列表按照分數倒序排(高分在前)，分數一樣的，按照名字進行排序，程式碼如下所示：
students.sort(Comparator.comparing(Student::getScore)
.reversed()
.thenComparing(Student::getName));
複製程式碼這樣，程式碼是不是很容易讀？
java.util.function中的複合方法
在java.util.function包中的很多函式式介面裡，都定義了一些複合方法，我們看一些例子。
Function介面有如下定義：
default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
Objects.requireNonNull(after);
return (T t) -> after.apply(apply(t));
}
複製程式碼先將T型別的引數轉化為型別R，再呼叫after將R轉換為V，最後返回型別V。
還有如下定義：
default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) {
Objects.requireNonNull(before);
return (V v) -> apply(before.apply(v));
}
複製程式碼對V型別的引數，先呼叫before將V轉換為T型別，再呼叫當前的apply方法轉換為R型別返回。
Consumer, Predicate等都有一些複合方法，它們大量被用於下節介紹的函式式資料處理API中，具體我們就不探討了。
小結
本節介紹了Java 8中的一些新概念，包括Lambda表示式、函式式介面、方法引用、介面的靜態方法和預設方法等。
最重要的變化是，傳遞程式碼變的簡單了，函式變為了程式碼世界的一等公民，可以方便的被作為引數傳遞，被作為返回值，被複合利用以構建新的函式，看上去，這些只是語法上的一些小變化，但利用這些小變化，卻能使得程式碼更為通用、更為靈活、更為簡潔易讀，這，大概就是函數語言程式設計的奇妙之處吧。
下一節，我們來探討Java 8引入的函式式資料處理API，它們大大簡化了常見的集合資料操作。
(與其他章節一樣，本節所有程式碼位於 github.com/swiftma/pro…，位於包shuo.laoma.java8.c91下)
未完待續，檢視最新文章，敬請關注微信公眾號“老馬說程式設計”(掃描下方二維碼)，從入門到高階，深入淺出，老馬和你一起探索Java程式設計及計算機技術的本質。用心原創，保留所有版權。
