Java中的函数式编程（二）函数式接口Functional Interface

写在前面

前面说过，判断一门语言是否支持函数式编程，一个重要的判断标准就是：它是否将函数看做是“第一等公民（first-class citizens）”。
函数是“第一等公民”，意味着函数和其它数据类型具备同等的地位——可以赋值给某个变量，可以作为另一个函数的参数，也可以作为另一个函数的返回值。

Java 8是通过函数式接口，赋予了函数“第一等公民”的特性。

本文将详细介绍Java 8中的函数式接口。

本文的示例代码可从gitee上获取：https://gitee.com/cnmemset/javafp

函数式接口

什么是函数式接口（function interface）？只有一个抽象方法的接口都属于函数式接口。

按照规范，我们强烈建议在定义函数式接口时，加上注解 @FunctionalInterface，这样在编译阶段就可以判断该接口是否符合函数式接口的规范。当然，也可以不加注解 @FunctionalInterface，这并不影响函数式接口的定义和使用。

以下是一个典型的函数式接口 Consumer：

// 强烈建议加上注解 @FunctionalInterface
@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {
    // 唯一的抽象方法
    void accept(T t);

    // 可以有多个非抽象方法（默认方法）
    default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
    }
}

函数式接口本质是一个接口（interface），所以我们可以通过一个具体的类（包括匿名类）来实现一个函数式接口。但与普通接口不同，函数式接口的实现还可以是一个lambda表达式，甚至可以是一个方法引用（method reference）。

下面，我们逐一介绍JDK中内置的一些典型的函数式接口。

Java 8中内置的函数式接口

Java 8新增的内置函数式接口都在包 java.util.function 中定义，主要包括：

1. Functions

在代码世界，最为常见的一种函数式接口是接收一个参数值，然后返回一个响应值。JDK提供了一个标准的泛型函数式接口 Function:

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    /**
     * 给定一个类型为 T 的参数 t ，返回一个类型为 R 的响应值。
     *
     * @param t 函数参数
     * @return 执行结果
     */
    R apply(T t);
    ...
}

Function的一个经典应用场景是Map的computeIfAbsent函数。

public V computeIfAbsent(K key,
                         Function<? super K, ? extends V> mappingFunction);

computeIfAbsent函数会先判断对应key在map中是否存在，如果key不存在，则通过参数 mappingFunction 来计算得出一个value，并将这个键值对<key, value="">写入到map中，并返回计算出来的value。如果key已存在，则返回map中key对应的value。</key,>

假设一个应用场景，我们要构建一个HashMap，key是某个单词，value是单词的字母长度。实例代码如下：

public static void testFunctionWithLambda() {
    // 构建一个HashMap，key是某个单词，value是单词的字母长度
    Map<String, Integer> wordMap = new HashMap<>();
    Integer wordLen = wordMap.computeIfAbsent("hello", s -> s.length());
    System.out.println(wordLen);
    System.out.println(wordMap);
}

上面的实例会输出：
5
{hello=5}

注意到代码片段“s -> s.length()”，这是一个典型的lambda表达式，含义等同于函数：

public static int getStringLength(String s) {
    return s.length();
}

更详尽具体的lambda表达式的介绍可以参考随后的系列文章。

之前提到过，函数式接口也可以通过一个方法引用（method reference）来实现。实例代码如下：

public static void testFunctionWithMethodReference() {
    Map<String, Integer> wordMap = new HashMap<>();
    Integer wordLen = wordMap.computeIfAbsent("hello", String::length);
    System.out.println(wordLen);
    System.out.println(wordMap);
}

注意到方法引用“String::length”，Java 8允许我们将一个实例方法转化成一个函数式接口的实现。 它的含义和 lambda 表达式 “s -> s.length()” 是相同的。

更详尽具体的方法引用的介绍可以参考随后的系列文章。

—BiFunction
Function 限制了只能有一个参数，但两个参数的情形也非常常见，所以就有了BiFunction，它接收两个参数值，然后返回一个响应值。

@FunctionalInterface
public interface BiFunction<T, U, R> {
    /**
     * 给定类型分别为 T 的参数 t 和 类型为 U 的参数 u，返回一个类型为 R 的响应值。
     *
     * @param t 第一个参数
     * @param u 第二个参数
     * @return 执行结果
     */
    R apply(T t, U u);

    ...
}

Function的一个经典应用场景是Map的replaceAll函数。

public void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function)

Map的replaceAll函数，会遍历Map中的所有Entry，通过BiFunction类型的参数 function 计算出一个新值，然后用新值替换旧值。

假设一个应用场景，我们使用一个HashMap，记录了一些单词和它们的长度，接着产品经理提了一个新需求，要求对某些指定的单词，长度统一记录为0。实例代码如下：

public static void testBiFunctionWithLambda() {
    Map<String, Integer> wordMap = new HashMap<>();
    wordMap.put("hello", 5);
    wordMap.put("world", 5);
    wordMap.put("on", 2);
    wordMap.put("at", 2);

    // lambda表达式中的k和v，分别是Map中Entry的key和原值value。
    // lambda表达式的返回值是一个新值value。
    wordMap.replaceAll((k, v) -> {
        if ("on".equals(k) || "at".equals(k)) {
            // 对应单词 on 和 at，单词长度统一记录为 0
            return 0;
        } else {
            // 其它单词，单词长度保持原值
            return v;
        }
    });

    System.out.println(wordMap);
}

上述代码的输出为：
{world=5, at=0, hello=5, on=0}

2. Supplier
除了Function和BiFunction，还有一种常见的函数式接口是不需要任何参数，直接返回一个响应值。这就是Supplier：

@FunctionalInterface
public interface Supplier<T> {
    /**
     * 获取一个类型为 T 的对象实例。
     *
     * @return 对象实例
     */
    T get();
}

Supplier的一个典型应用场景是快速实现了工厂类的生产方法，包括延时的或者异步的生产方法。实例代码如下：

public class SupplierExample {
    public static void main(String[] args) {
        testSupplierWithLambda();
    }

    public static void testSupplierWithLambda() {
        final Random random = new Random();
        // 生成一个随机整数
        lazyPrint(() -> {
            return random.nextInt(100);
        });

        // 延时3秒，生成一个随机整数
        lazyPrint(() -> {
            try {
                System.out.println("waiting for 3s...");
                Thread.sleep(3*1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // do nothing
            }

            return random.nextInt(100);
        });
    }

    public static void lazyPrint(Supplier<Integer> lazyValue) {
        System.out.println(lazyValue.get());
    }
}

上述代码输出类似：
26
waiting for 3s…
27

3. Consumers
如果说Supplier属于生产者，那与之相对的是消费者Consumer。

Consumer
与Supplier相反，Consumer 接收一个参数，而不返回任何值。

@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {
    /**
     * 对给定的单一参数执行相关操作。
     *
     * @param t 输入参数
     */
    void accept(T t);

    ...
}

示例代码：

public static void testConsumer() {
    List<String> list = Arrays.asList("Guangdong", "Zhejiang", "Jiangsu");

    // 消费 list 中的每一个元素
    list.forEach(s -> System.out.println(s));
}

上述代码的输出为：
Guangdong
Zhejiang
Jiangsu

—BiConsumer
还有BiConsumer，语义和Consumer一致，不同的是BiConsumer接收2个参数。

@FunctionalInterface
public interface BiConsumer<T, U> {
    /**
     * 对给定的2个参数执行相关操作。
     *
     * @param t 第一个参数
     * @param u 第二个参数
     */
    void accept(T t, U u);

    ...
}

示例代码：

public static void testBiConsumer() {
    Map<String, String> cityMap = new HashMap<>();
    cityMap.put("Guangdong", "Guangzhou");
    cityMap.put("Zhejiang", "Hangzhou");
    cityMap.put("Jiangsu", "Nanjing");

    // 消费 map中的每一个(key, value)键值对
    cityMap.forEach((key, value) -> {
        System.out.println(String.format("%s 的省会是 %s", key, value));
    });
}

上述代码的输出是：
Guangdong 的省会是 Guangzhou
Zhejiang 的省会是 Hangzhou
Jiangsu 的省会是 Nanjing

4. Predicate
Predicate 的含义是接收一个参数值，然后依据给定的断言条件，返回一个boolean值。它实质上一个特殊的 Function，一个指定了返回值类型为boolean的 Function。

@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
    /**
     * 根据给定参数，计算得到一个boolean结果。
     *
     * @param t 输入参数
     * @return 如果参数符合断言条件，返回 true，否则返回 false
     */
    boolean test(T t);

    ...
}

Predicate 的使用场景通常是用来作为某种过滤条件。实例代码：

public static void testPredicate() {
    List<String> provinces = new ArrayList<>(Arrays.asList("Guangdong", "Jiangsu", "Guangxi", "Jiangxi", "Shandong"));

    boolean removed = provinces.removeIf(s -> {
        return s.startsWith("G");
    });

    System.out.println(removed);
    System.out.println(provinces);
}

上述代码是过滤掉以字母 G 开头的省份，输出为：
true
[Jiangsu, Jiangxi, Shandong]

5. Operators
Operator 函数式接口是一种特殊的 Function，要求返回值类型和参数类型是相同的。
和 Function/BiFunction 一样，Operators 也支持1个或2个参数。

—UnaryOperator
UnaryOperator 支持1个参数，UnaryOperator 等同于 Function<t, t="">：</t,>

@FunctionalInterface
public interface UnaryOperator<T> extends Function<T, T> { ... }

UnaryOperator的示例代码——将省份拼音转换大写与小写字母：

public static void testUnaryOperator() {
    List<String> provinces = Arrays.asList("Guangdong", "Jiangsu", "Guangxi", "Jiangxi", "Shandong");

    // 将省份的字母转换成大写字母
    // 使用lambda表达式来实现 UnaryOperator
    provinces.replaceAll(s -> s.toUpperCase());
    System.out.println(provinces);

    // 将省份的字母转换成小写字母。
    // 使用方法引用(method reference)来实现 UnaryOperator
    provinces.replaceAll(String::toLowerCase);
    System.out.println(provinces);
}

上述代码输出为：
[GUANGDONG, JIANGSU, GUANGXI, JIANGXI, SHANDONG]
[guangdong, jiangsu, guangxi, jiangxi, shandong]

—BinaryOperator
BinaryOperator 支持2个参数，BinaryOperator 等同于 BiFunction<t, t,="" t=""></t,>

@FunctionalInterface
public interface BinaryOperator<T> extends BiFunction<T, T, T> { ... }

BinaryOperator的示例代码——计算List中的所有整数的和：

public static void testBinaryOperator() {
    List<Integer> values = Arrays.asList(1, 3, 5, 7, 11);

    // 使用 reduce 方法进行求和：0+1+3+5+7+11 = 27
    int sum = values.stream()
            .reduce(0, (a, b) -> a + b);

    System.out.println(sum);
}

上述代码的输出为：
27

6. Java 7及之前版本遗留的函数式接口
前面提到过函数式接口的定义：只有一个抽象方法的接口都属于函数式接口。

按照这个定义，在Java 7或之前版本中定义的一些“老”接口也属于函数式接口，包括：
Runnable、Callable、Comparator等等。

当然，这些遗留的函数式接口，在Java 8中也加上了注解 @FunctionalInterface 。

组合函数式接口

我们在第一篇提到过：函数式编程是一种编程范式（programming paradigm），追求的目标是整个程序都由函数调用以及函数组合构成的。

函数组合（function composing），指的是将一系列简单函数组合起来形成一个复合函数。

Java 8中的函数式接口也提供了函数组合的功能。大家注意观察，可以发现基本每个内置的函数式接口都有一个非抽象的方法 andThen。andThen方法的功能是将多个函数式接口组合在一起，以串行的顺序逐一执行，从而形成一个新的函数式接口。

以Consumer.andThen方法为例，它返回一个新的Consumer实例。新的Consumer实例会先执行当前的accpet方法，然后再执行 after 的accpet方法。源码片段如下：

@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {
    ... 

    default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
        Objects.requireNonNull(after);

        // 先执行当前Consumer的accept方法，再执行 after 的accept方法
        // 特别要注意的是，accept(t) 不能写在 return 语句之前，否则accept(t)将会被提前执行
        return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
    }

    ...
}

示例代码如下：

public static void testConsumerAndThen() {
    Consumer<String> printUpperCase = s -> System.out.println(s.toUpperCase());
    Consumer<String> printLowerCase = s -> System.out.println(s.toLowerCase());

    // 组合得到一个新的 Consumer ：先打印大写样式，再打印小写样式
    Consumer<String> prints = printUpperCase.andThen(printLowerCase);

    List<String> list = Arrays.asList("Guangdong", "Zhejiang", "Jiangsu");
    list.forEach(prints);
}

上述代码的输出是：
GUANGDONG
guangdong
ZHEJIANG
zhejiang
JIANGSU
jiangsu

Function.andThen 方法则更复杂一些，它返回一个新的Function实例，在新的Function中，会先用类型为 T 的参数 t 执行当前的apply方法，得到一个类型为 R 的返回值 r，然后将 r 作为输入参数，继续执行 after 的apply方法，最终得到一个类型为 V 的返回值：

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
        Objects.requireNonNull(after);

        // 先用类型为 T 的参数 t 执行当前的apply方法，得到一个类型为 R 的返回值 r ；
        // 然后将 r 作为输入参数，继续执行 after 的apply方法，最终得到一个类型为 V 的返回值；
        // 特别要注意的是，apply(t) 不能写在 return 语句之前，否则apply(t)将会被提前执行。
        return (T t) -> after.apply(apply(t));
    }

代码示例：

public static void testFunctionAndThen() {
    // wordLen 计算单词的长度
    Function<String, Integer> wordLen = s -> s.length(); // 等同于 s -> { return s.length(); }

    // effectiveWord 单词长度大于等于4，才认为是有效单词
    Function<Integer, Boolean> effectiveWordLen = len -> len >= 4;

    // Function<String, Integer> 和 Function<Integer, Boolean> 组合得到一个新的 Function<String, Boolean> ，
    // 像是消消乐： <String, Integer> 遇到了 <Integer, Boolean> ，消去了 Integer 类型后，得到了 <String, Boolean> 。
    Function<String, Boolean> effectiveWord = wordLen.andThen(effectiveWordLen);

    Map<String, Boolean> wordMap = new HashMap<>();
    wordMap.computeIfAbsent("hello", effectiveWord);
    wordMap.computeIfAbsent("world", effectiveWord);
    wordMap.computeIfAbsent("on", effectiveWord);
    wordMap.computeIfAbsent("at", effectiveWord);

    System.out.println(wordMap);
}

上述代码输出为：
{at=false, world=true, hello=true, on=false}

结语

Java 8是通过函数式接口，赋予了函数“第一等公民”的特性。

通过函数式接口，使得函数和其它数据类型一样，可以赋值给某个变量、可以作为另一个函数的参数、也可以作为另一个函数的返回值。

函数式接口的实现，可以是一个类（包括匿名类），但更多的是一个lambda表达式或者一个方法引用（method reference）。