Java8新特性探索之函式式介面

拼搏吧，少年發表於2020-10-30
Java函式

一、為什麼引入函式式介面

作為Java函數語言程式設計愛好者，我們都知道方法引用和 Lambda 表示式都必須被賦值，同時賦值需要型別資訊才能使編譯器保證型別的正確性。

我們先看一個Lambda程式碼示例：

x -> x.toString()

我們清楚這裡返回型別必須是 String，但 x 是什麼型別呢？

Lambda 表示式包含型別推導（編譯器會自動推匯出型別資訊，避免了程式設計師顯式地宣告），編譯器必須能夠以某種方式推匯出 x 的型別以生成正確的程式碼。

同樣方法引用也存在此問題，假設你要傳遞 System.out :: println 到你正在編寫的方法 ，你怎麼知道傳遞給方法的引數的型別？

為了解決上述問題，Java 8 引入了函式式介面，在 java.util.function 包，它包含一組介面，這些介面是 Lambda 表示式和方法引用的目標型別，每個介面只包含一個抽象方法，稱為函式式方法。只有確保介面中有且僅有一個抽象方法，Lambda表示式的型別資訊才能順利地進行推導。

二、如何使用函式式介面

在編寫介面時，可以使用 @FunctionalInterface 註解強制執行此函式式方法模式：

  1. 在介面上使用註解 @FunctionalInterface ，一旦使用該註解來定義介面，編譯器將會強制檢查該介面是否確實有且僅有一個抽象方法，否則將會報錯。

    @FunctionalInterface
    public interface MyFunction {
     /**
      * 自定義的抽象方法
      */
     void run();
    }

  2. 在函式式介面，有且僅有一個抽象方法，Object的public方法除外

    @FunctionalInterface
    public interface MyFunction {
     
     /**
      * 自定義的抽象方法
      */
     void run();
     
     /**
      * Object的equals方法
      * @param obj
      * @return
      */
     @Override
     boolean equals(Object obj);
     
     /**
      * Object的toString方法
      * @return
      */
     @Override
     String toString();
     
     /**
      * Object的hashCode方法
      * @return
      */
     @Override
     int hashCode();
     
    }

  3. 在函式式介面中，我們可以使用default修飾符定義預設方法，使用static修飾符定義靜態方法

    @FunctionalInterface
    public interface MyFunction {
     
     /**
      * 自定義的抽象方法
      */
     void run();
     
     /**
      * static修飾符定義靜態方法
      */
        static void staticRun() {
            System.out.println("介面中的靜態方法");
        }
     
        /**
         * default修飾符定義預設方法
         */
        default void defaultRun() {
            System.out.println("介面中的預設方法");
        }
        
    }

  • 為大家演示下自定義無泛型的函式式介面測試例項：

    /**
    * 自定義的無泛型函式式介面
    */
    @FunctionalInterface
    public interface MyFunction {
     
     /**
      * 自定義的抽象方法
      * @param x
      */
     void run(Integer x);
     
        /**
         * default修飾符定義預設方法
         * @param x
         */
        default void defaultMethod(Integer x) {
            System.out.println("介面中的預設方法，接收引數是：" + x);
        }
        
    }

    /**
    * 測試類
    */
    public class MyFunctionTest {

     @Test
     public void functionTest() {
      test(6, (x) -> System.out.println("介面中的抽象run方法，接收引數是：" + x));
     }
     
     public void test(int n, MyFunction function) {
      System.out.println(n);
      function.defaultMethod(n);
      function.run(n);
     }
     
    }

    輸出結果：

    6
    介面中的預設方法，接收引數是：6
    介面中的抽象run方法，接收引數是：6

  • 為大家演示下自定義有泛型的函式式介面測試例項：

    /**
     * 自定義的有泛型函式式介面
     */
    @FunctionalInterface
    public interface MyFunctionGeneric<T> {

     /**
      * 轉換值
      * @param t
      * @return
      */
     T convertValue(T t);
     
    }

    /**
    * 測試類
    */
    public class MyFunctionGenericTest {

     @Test
     public void convertValueTest() {
      String result = toLowerCase((x) -> x.toLowerCase(), "ABC");
      System.out.println(result);
     }
     
     public String toLowerCase(MyFunctionGeneric<String> functionGeneric, String value) {
      return functionGeneric.convertValue(value);
     }
     
    }

    輸出結果：

    abc

    注意：作為引數傳遞 Lambda 表示式：為了將 Lambda 表示式作為引數傳遞，接收Lambda 表示式的引數型別必須是與該 Lambda 表示式相容的函式式介面 的型別。

三、Java8四大內建核心函式式介面

首先總覽下四大函式式介面的特點說明：

介面 引數型別 返回型別 方法 說明
Consumer T void void accept(T t) 消費型介面，對型別T引數操作，無返回結果
Supplier - T T get() 供給型介面，創造T型別引數
Function T R R apply（T t） 函式型介面，對型別T引數操作，返回R型別引數
Predicate T boolean boolean test（T t） 斷言型介面，對型別T進行條件篩選操作

消費型介面Consumer<T>

java.util.function.Consumer<T> 介面是消費一個資料，其資料型別由泛型決定。

介面原始碼：

package java.util.function;

import java.util.Objects;

@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {

    void accept(T t);

    default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
    }
}
  1. 抽象方法：void accept(T t)，接收並消費一個指定泛型的資料，無需返回結果。
  2. 預設方法：default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after)，如果一個方法的引數和返回值全都是 Consumer 型別，那麼就可以實現效果：消費資料的時候，首先做一個操作，然後再做一個操作，實現組合
public class ConsumerTest {

 /**
  * 先計算總分，再計算平均分
  */
 @Test
 public void calculate() {
  Integer[] fraction = new Integer[] { 65, 76, 85, 92, 88, 99 };
  consumer(fraction, x -> System.out.println(Arrays.stream(x).mapToInt(Integer::intValue).sum()),
    y -> System.out.println(Arrays.stream(y).mapToInt(Integer::intValue).average().getAsDouble()));
 }
 
 public void consumer(Integer[] fraction, Consumer<Integer[]> x, Consumer<Integer[]> y) {
  x.andThen(y).accept(fraction);
 }
 
}

輸出結果：

505
84.16666666666667

由於Consumer的default方法所帶來的巢狀呼叫（連鎖呼叫），對行為的抽象的函數語言程式設計理念，展示的淋漓盡致。

其他的消費型函式式介面彙總說明：

介面名稱 方法名稱 方法簽名
DoubleConsumer accept (double) -> void
IntConsumer accept (int) -> void
LongConsumer accept (long) -> void
ObjDoubleConsumer accept (T, double) -> void
ObjIntConsumer accept (T, int) -> void
ObjLongConsumer accept (T, long) -> void

供給型介面Supplier<T>

java.util.function.Supplier<T> 介面僅包含一個無參的方法： T get() ，用來獲取一個泛型引數指定型別的物件資料。

介面原始碼：

package java.util.function;

@FunctionalInterface
public interface Supplier<T> {
    T get();
}

由於這是一個函式式介面，意味著對應的Lambda表示式需要對外提供一個符合泛型型別的物件資料。

public class SupplierTest {

 public int getMax(Supplier<Integer> supplier) {
  return supplier.get();
 }
 
 /**
  * 獲取陣列元素最大值
  */
 @Test
 public void getMaxTest() {
  Integer[] data = new Integer[] { 5, 4, 6, 3, 2, 1 };
  int result = getMax(() -> {
   int max = 0;
   for (int i = 0; i < data.length; i++) {
    max = Math.max(max, data[i]);
   }
   return max;
  });
  System.out.println(result);
 }
 
}

其他的供給型函式式介面彙總說明：

介面名稱 方法名稱 方法簽名
BooleanSupplier getAsBoolean () -> boolean
DoubleSupplier getAsDouble () -> double
IntSupplier getAsInt () -> int
LongSupplier getAsLong () -> long

函式型介面Function

java.util.function.Function<T,R> 介面用來根據一個型別的資料得到另一個型別的資料，前者稱為前置條件，後者稱為後置條件。

介面原始碼：

package java.util.function;

import java.util.Objects;

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {

    R apply(T t);

    default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) {
        Objects.requireNonNull(before);
        return (V v) -> apply(before.apply(v));
    }

    default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> after.apply(apply(t));
    }

    static <T> Function<T, T> identity() {
        return t -> t;
    }
}

  1. 抽象方法 apply(T t)：該方法接收入參是一個泛型T物件，並返回一個泛型T物件。

  2. 預設方法

    andThen(Function<? super R, ? extends V> after)：該方法接受一個行為，並將父方法處理過的結果作為引數再處理。

    compose(Function<? super V, ? extends T> before)：該方法正好與andThen相反，它是先自己處理然後將結果作為引數傳給父方法執行。

    @Test
    public void andThenAndComposeTest() {
        // 計算公式相同
        Function<Integer, Integer> andThen1 = x -> x + 1;
        Function<Integer, Integer> andThen2 = x -> x * 2;
        Function<Integer, Integer> compose1 = y -> y + 1;
        Function<Integer, Integer> compose2 = y -> y * 2;
        // 注意呼叫的先後順序
        // 傳入引數2後，先執行andThen1計算，將結果再傳入andThen2計算
        System.out.println(andThen1.andThen(andThen2).apply(2));
        // 傳入引數2後，先執行compose2計算，將結果再傳入compose1計算
        System.out.println(compose1.compose(compose2).apply(2));
    }

    輸出結果：

    6
    5

  3. 靜態方法identity()：獲取到一個輸入引數和返回結果一樣的Function例項。

來一個自駕九寨溝的程式碼示例：

public class FunctionTest {
 
 @Test
 public void findByFunctionTest() {
  Function<BigDecimal, BigDecimal> getMoney = m -> m.add(new BigDecimal(1000));
  BigDecimal totalCost = getMoney.apply(new BigDecimal(500));
  System.out.println("張三的錢包原本只有500元，自駕川西得去銀行再取1000元，取錢後張三錢包總共有" +           Function.identity().apply(totalCost) + "元");
  BigDecimal surplus = cost(totalCost, (m) -> {
   System.out.println("第二天出發前發現油不足，加油前有" + m + "元");
   BigDecimal lubricate = m.subtract(new BigDecimal(300));
   System.out.println("加油300後還剩餘" + lubricate + "元");
   return lubricate;
  }, (m) -> {
   System.out.println("到達景區門口，買景區票前有" + m + "元");
   BigDecimal tickets = m.subtract(new BigDecimal(290));
   System.out.println("買景區票290後還剩餘" + tickets + "元");
   return tickets;
  });
  System.out.println("最後張三返程到家還剩餘" + surplus + "元");
 }

 public BigDecimal cost(BigDecimal money, Function<BigDecimal, BigDecimal> lubricateCost,
   Function<BigDecimal, BigDecimal> ticketsCost) {
  Function<BigDecimal, BigDecimal> firstNight = (m) -> {
   System.out.println("第一晚在成都住宿前有" + m + "元");
   BigDecimal first = m.subtract(new BigDecimal(200));
   System.out.println("交完200住宿費還剩餘" + first + "元");
   return first;
  };
  Function<BigDecimal, BigDecimal> secondNight = (m) -> {
   System.out.println("第二晚在九寨縣住宿前有" + m + "元");
   BigDecimal second = m.subtract(new BigDecimal(200));
   System.out.println("交完200住宿費還剩餘" + second + "元");
   return second;
  };
  return lubricateCost.andThen(ticketsCost).andThen(secondNight).compose(firstNight).apply(money);
 }

}

輸出結果：

張三的錢包原本只有500元，自駕川西得去銀行再取1000元，取錢後張三錢包總共有1500元
第一晚在成都住宿前有1500元
交完200住宿費還剩餘1300元
第二天出發前發現油不足，加油前有1300元
加油300後還剩餘1000元
到達景區門口，買景區票前有1000元
買景區票290後還剩餘710元
第二晚在九寨縣住宿前有710元
交完200住宿費還剩餘510元
最後張三返程到家還剩餘510元

其他的函式型函式式介面彙總說明：

介面名稱 方法名稱 方法簽名
BiFunction apply (T, U) -> R
DoubleFunction apply (double) -> R
DoubleToIntFunction applyAsInt (double) -> int
DoubleToLongFunction applyAsLong (double) -> long
IntFunction apply (int) -> R
IntToDoubleFunction applyAsDouble (int) -> double
IntToLongFunction applyAsLong (int) -> long
LongFunction apply (long) -> R
LongToDoubleFunction applyAsDouble (long) -> double
LongToIntFunction applyAsInt (long) -> int
ToDoubleFunction applyAsDouble (T) -> double
ToDoubleBiFunction applyAsDouble (T, U) -> double
ToIntFunction applyAsInt (T) -> int
ToIntBiFunction applyAsInt (T, U) -> int
ToLongFunction applyAsLong (T) -> long
ToLongBiFunction applyAsLong (T, U) -> long

斷言型介面Predicate<T>

java.util.function.Predicate<T> 介面中包含一個抽象方法： boolean test(T t) ，用於條件判斷的場景。預設方法：and or nagte (取反)。

介面原始碼：

package java.util.function;

import java.util.Objects;

@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {

    boolean test(T t);

    default Predicate<T> and(Predicate<? super T> other) {
        Objects.requireNonNull(other);
        return (t) -> test(t) && other.test(t);
    }

    default Predicate<T> negate() {
        return (t) -> !test(t);
    }

    default Predicate<T> or(Predicate<? super T> other) {
        Objects.requireNonNull(other);
        return (t) -> test(t) || other.test(t);
    }

    static <T> Predicate<T> isEqual(Object targetRef) {
        return (null == targetRef)
                ? Objects::isNull
                : object -> targetRef.equals(object);
    }
}

既然是條件判斷，就會存在與、或、非三種常見的邏輯關係。其中將兩個 Predicate 條件使用與邏輯連線起來實現並且的效果時,類始於 Consumer介面 andThen()函式 其他三個雷同。

public class PredicateTest {
 /**
  * 查詢在渝北的Jack
  */
 @Test
 public void findByPredicateTest() {
  List<User> list = Lists.newArrayList(new User("Johnson", "渝北"), new User("Tom", "渝中"), new User("Jack", "渝北"));
  getNameAndAddress(list, (x) -> x.getAddress().equals("渝北"), (x) -> x.getName().equals("Jack"));
 }
 
 public void getNameAndAddress(List<User> users, Predicate<User> name, Predicate<User> address) {
  users.stream().filter(user -> name.and(address).test(user)).forEach(user -> System.out.println(user.toString()));
 }
}

輸出結果：

User [name=Jack, address=渝北]

其他的斷言型函式式介面彙總說明：

介面名稱 方法名稱 方法簽名
BiPredicate test (T, U) -> boolean
DoublePredicate test (double) -> boolean
IntPredicate test (int) -> boolean
LongPredicate test (long) -> boolean

四、總結

Lambda 表示式和方法引用並沒有將 Java 轉換成函式式語言，而是提供了對函數語言程式設計的支援。這對 Java 來說是一個巨大的改進，因為這允許你編寫更簡潔明瞭，易於理解的程式碼。

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