深入理解 Java 中的 Lambda
作者：李三石
來(lái)源：my.oschina.net/leili
我花了相當(dāng)多的閱讀和編碼時(shí)間才最終理解Java Lambdas如何在概念上正常工作的。我閱讀的大多數(shù)教程和介紹都遵循自頂向下的方法，從用例開(kāi)始，最后以概念性問(wèn)題結(jié)束。在這篇文章中，我想提供一個(gè)自下而上的解釋?zhuān)瑥钠渌呀⒌腏ava概念中推導(dǎo)出Lambdas的概念。
首先介紹下方法的類(lèi)型化，這是支持方法作為一流公民的先決條件。基于此，Lambdas的概念是被以匿名類(lèi)用法的進(jìn)化和特例提出的。所有這一切都通過(guò)實(shí)現(xiàn)和使用高階函數(shù)映射來(lái)說(shuō)明。
這篇文章的主要受眾是那些已掌握函數(shù)式編程基礎(chǔ)的人，以及那些想從概念上理解Lambdas如何嵌入Java語(yǔ)言的人。
方法類(lèi)型
從Java 8起方法就是一等公民了。按照標(biāo)準(zhǔn)的定義，編程語(yǔ)言中的一等公民是一個(gè)具有下列功能的實(shí)體，
可以作為參數(shù)進(jìn)行傳遞,
可以作為方法的返回值
可以賦值給一個(gè)變量.
在Java中，每一個(gè)參數(shù)、返回值或變量都是有類(lèi)型的，因此每個(gè)一等公民都必須是有類(lèi)型的。Java中的一種類(lèi)型可以是以下內(nèi)容之一：
一種內(nèi)建類(lèi)型 (比如 int 或者 double)
一個(gè)類(lèi) (比如ArrayList)
一個(gè)接口 (比如 Iterable)
方法是通過(guò)接口進(jìn)行定義類(lèi)型的。它們不隱式的實(shí)現(xiàn)特定接口，但是在必要的時(shí)候，如果一個(gè)方法符合一個(gè)接口，那么在編譯期間，Java編譯器會(huì)對(duì)其進(jìn)行隱式的檢查。舉個(gè)例子說(shuō)明：
class LambdaMap {
static void oneStringArgumentMethod(String arg) {
System.out.println(arg);
}
}
關(guān)于oneStringArgumentMethod函數(shù)的類(lèi)型，與之相關(guān)的有：它的的函數(shù)是靜態(tài)的，返回類(lèi)型是void，它接受一個(gè)String類(lèi)型的參數(shù)。一個(gè)靜態(tài)函數(shù)符合包含一個(gè)apply函數(shù)的接口，apply函數(shù)的簽名相應(yīng)地符合這個(gè)靜態(tài)函數(shù)的簽名。oneStringArgumentMethod函數(shù)對(duì)應(yīng)的接口因此必須符合下列標(biāo)準(zhǔn)。
它必須包含一個(gè)名為apply的函數(shù)。
函數(shù)返回類(lèi)型必須是void。
函數(shù)必須接受一個(gè)String類(lèi)型可以轉(zhuǎn)換到的對(duì)象的參數(shù)。
在符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口之中，下面的這個(gè)是最明確的：
interface OneStringArgumentInterface {
void apply(String arg);
}
利用這個(gè)接口，函數(shù)可以分配給一個(gè)變量：
OneStringArgumentInterface meth = LambdaMap::oneStringArgumentMethod;
用這種方法使用接口作為類(lèi)型，函數(shù)可以借此被分配給變量，傳遞參數(shù)并且從函數(shù)返回：
static OneStringArgumentInterface getWriter() {
return LambdaMap::oneStringArgumentMethod;
}
static void write(OneStringArgumentInterface writer, String msg) {
writer.apply(msg);
}
最終函數(shù)是一等公民。
泛型函數(shù)類(lèi)型
就像使用集合一樣，泛型為函數(shù)類(lèi)型增加了大量的功能和靈活性。實(shí)現(xiàn)功能上的算法而不考慮類(lèi)型相關(guān)信息，泛型函數(shù)類(lèi)型使其變?yōu)榭赡堋Ｔ趯?duì)map函數(shù)的實(shí)現(xiàn)中，會(huì)在下面用到這種功能。
在這提供的OneStringArgumentInterface一個(gè)泛型版本：
interface OneArgumentInterface<T> {
void apply(T arg);
}
OneStringArgumentInterface函數(shù)可以被分配給它：
OneArgumentInterface<String> meth = LambdaMap::oneStringArgumentMethod;
通過(guò)使用泛型函數(shù)類(lèi)型，它現(xiàn)在可以以一種通用的方法實(shí)現(xiàn)算法，就像它在集合中使用的一樣：
static <T> void applyArgument(OneArgumentInterface<T> meth, T arg) {
meth.apply(arg);
}
上面的函數(shù)并沒(méi)有什么用，然而它至少可以提出一個(gè)想法：對(duì)函數(shù)作為第一個(gè)類(lèi)成員的支持怎樣可以形成非常簡(jiǎn)潔且靈活的代碼：
applyArgument(Lambda::oneStringArgumentMethod, "X ");
實(shí)現(xiàn)map
在諸多高階函數(shù)中，map是最經(jīng)典的. map的第一個(gè)參數(shù)是函數(shù)，該函數(shù)可以接收一個(gè)參數(shù)并返回一個(gè)值；第二個(gè)參數(shù)是值列表. map使用傳入的函數(shù)處理值列表的每一項(xiàng)，然后返回一個(gè)新的值列表。下面Python的代碼片段，可以很好的說(shuō)明map的用法：
>>> map(math.sqrt, [1, 4, 9, 16])
[1.0, 2.0, 3.0, 4.0]
在本節(jié)的后續(xù)內(nèi)容中，將給出該函數(shù)的Java實(shí)現(xiàn)。Java 8已經(jīng)通過(guò)Stream提供了該函數(shù)。因?yàn)橹饕鲇诮虒W(xué)目的，所以，本節(jié)中給出的實(shí)現(xiàn)特意保持簡(jiǎn)單，僅限于List對(duì)象使用。
與Python不同，在Java中必須首先考慮map第一個(gè)參數(shù)的類(lèi)型：一個(gè)可以接收一個(gè)參數(shù)并返回一個(gè)值的方法。參數(shù)的類(lèi)型和返回值的類(lèi)型可以不同。下面接口符合這個(gè)預(yù)期，顯然，I表示參數(shù)（入?yún)ⅲ琌表示返回值（出參）：
interface MapFunction<I, O> {
O apply(I in);
}
泛型map方法的實(shí)現(xiàn)，變得驚人的簡(jiǎn)單明了：
static <I, O> List<O> map(MapFunction<I, O> func, List<I> input) {
List<O> out = new ArrayList<>();
for (I in : input) {
out.add(func.apply(in));
}
return out;
}
創(chuàng)建新的返回值列表out(用于保存O類(lèi)型的對(duì)象).
通過(guò)遍歷input，func處理列表的每一項(xiàng)，并將返回值添加到out中。
返回out.
下面是實(shí)際使用map方法的實(shí)例：
MapFunction<Integer, Double> func = Math::sqrt;
List<Double> output = map(func, Arrays.asList(1., 4., 9., 16.));
System.out.println(output);
在Python one-liner的推動(dòng)下，可以用更簡(jiǎn)潔的方法表達(dá)：
System.out.println(map(Math::sqrt, Arrays.asList(1., 4., 9., 16.)));
Java畢竟不是Python…
Lambdas來(lái)了！
讀者可能會(huì)注意到，還沒(méi)有提到Lambdas。這是由于采用了“自下而上”的方式描述，現(xiàn)在基礎(chǔ)已基本建立，Lambdas將在后續(xù)的章節(jié)中介紹。
下面的用例作為基礎(chǔ):一個(gè)double類(lèi)型的list，表示半徑，然后得到一個(gè)列表，表示圓面積。map方法就是為此任務(wù)預(yù)先準(zhǔn)備的。計(jì)算圓面積的公式是眾所周知的：
A?=?r2π
應(yīng)用這個(gè)公式的方法很容易實(shí)現(xiàn)：
static Double circleArea(Double radius) {
return Math.pow(radius, 2) * Math.PI;
}
這個(gè)方法現(xiàn)在可以用作map方法的第一個(gè)參數(shù):
System.out.println(
map(LambdaMap::circleArea,
Arrays.asList(1., 4., 9., 16.)));
如果circleArea方法只需要這一次, 沒(méi)有道理把類(lèi)接口被他弄得亂七八糟，也沒(méi)有道理將實(shí)現(xiàn)和真正使用它的地方分離。最佳實(shí)踐是使用用匿名內(nèi)部類(lèi)。可以看到，實(shí)例化一個(gè)實(shí)現(xiàn)MapFunction接口的匿名內(nèi)部類(lèi)可以很好的完成這個(gè)任務(wù)：
System.out.println(
map(new MapFunction<Double, Double>() {
public Double apply(Double radius) {
return Math.sqrt(radius) * Math.PI;
}
},
Arrays.asList(1., 2., 3., 4.)));
這看起來(lái)很漂亮，但是很多人會(huì)認(rèn)為函數(shù)式的解決方案更清晰，更具可讀性:
List<Double> out = new ArrayList<>();
for (Double radius : Arrays.asList(1., 2., 3., 4.)) {
out.add(Math.sqrt(radius) * Math.PI);
}
System.out.println(out);
到目前為止，最后是使用Lambda表達(dá)式。讀者應(yīng)該注意Lambda如何取代上面提到的匿名類(lèi):
System.out.println(
map(radius -> { return Math.sqrt(radius) * Math.PI; },
Arrays.asList(1., 2., 3., 4.)));
這看起來(lái)簡(jiǎn)潔明了 - 請(qǐng)注意 Lambda 表達(dá)式如何缺省任何明確的類(lèi)型信息。沒(méi)有顯式模板實(shí)例化，沒(méi)有方法簽名。
Lambda表達(dá)式由兩部分組成，這兩部分被->分隔。第一部分是參數(shù)列表，第二部分是實(shí)際實(shí)現(xiàn)。
Lambda表達(dá)式和匿名內(nèi)部類(lèi)作用完全相同，然而它摒棄了許多編譯器可以自動(dòng)推斷的樣板代碼。讓我們?cè)俅伪容^這兩種方式，然后分析編譯器為開(kāi)發(fā)人員節(jié)省了哪些工作。
MapFunction<Double, Double> functionLambda =
radius -> Math.sqrt(radius) * Math.PI;
MapFunction<Double, Double> functionClass =
new MapFunction<Double, Double>() {
public Double apply(Double radius) {
return Math.sqrt(radius) * Math.PI;
}
};
對(duì)于Lambda實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，只有一個(gè)表達(dá)式，返回語(yǔ)句和花括號(hào)可以省略。這使得代碼更簡(jiǎn)短。
Lambda表達(dá)式的返回值類(lèi)型是從Lambda實(shí)現(xiàn)推斷出來(lái)的。
對(duì)于參數(shù)類(lèi)型，我不完全確定，但我認(rèn)為必須從Lambda表達(dá)式所處的上下文中推斷出參數(shù)類(lèi)型。
最后編譯器必須檢查返回值類(lèi)型是否與Lambda的上下文匹配，以及參數(shù)類(lèi)型是否與Lambda實(shí)現(xiàn)匹配。
這一切都可以在編譯期間完成，根本沒(méi)有運(yùn)行時(shí)開(kāi)銷(xiāo)。
結(jié)語(yǔ)
總而言之，Java中的Lambdas的概念是整潔的。我支持編寫(xiě)更簡(jiǎn)潔、更清晰的代碼，并讓程序員免于編寫(xiě)可由編譯器自動(dòng)推斷的架手架代碼。它是語(yǔ)法糖，如上所述，它只不過(guò)是使用匿名類(lèi)也能實(shí)現(xiàn)的功能。然而，我會(huì)說(shuō)它是非常甜的語(yǔ)法糖。
另一方面，Lambdas還支持更加混淆以及難以調(diào)試的代碼。Python社區(qū)很早就意識(shí)到了這一點(diǎn) - 雖然Python也有Lambda，但它若被廣泛使用則通常被認(rèn)為是不好的風(fēng)格（當(dāng)嵌套函數(shù)可以被使用時(shí)，它并不難于規(guī)避）。對(duì)于Java來(lái)說(shuō)，我會(huì)給出類(lèi)似的建議。毫無(wú)疑問(wèn)，在某些情況下，使用Lambdas會(huì)導(dǎo)致代碼大大縮減并更易讀，尤其在與流有關(guān)時(shí)。在其他情況下，如果采取更保守的做法和最佳實(shí)踐，另外一種方法可能會(huì)是更好的替代。
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