Java如何支持函数式编程？

简介： Java是面向对象的语言，无法直接调用一个函数。Java 8开始，引入了函数式编程接口与Lambda表达式，便于开发者写出更少更优雅的代码。什么是函数式编程？函数式编程的特点是什么？本文通过代码实例，从Stream类、Lambda表达式和函数接口这三个语法概念来分享Java对函数式编程的支持。

背景

在很长的一段时间里，Java一直是面向对象的语言，一切皆对象，如果想要调用一个函数，函数必须属于一个类或对象，然后在使用类或对象进行调用。但是在其它的编程语言中，如JS、C++，我们可以直接写一个函数，然后在需要的时候进行调用，既可以说是面向对象编程，也可以说是函数式编程。从功能上来看，面向对象编程没什么不好的地方，但是从开发的角度来看，面向对象编程会多写很多可能是重复的代码行。比如创建一个Runnable的匿名类的时候：

Runnable runnable = new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("do something...");
    }
};

这一段代码中真正有用的只有run方法中的内容，剩余的部分都是属于Java编程语言的结构部分，没什么用，但是要写。幸运的是Java 8开始，引入了函数式编程接口与Lambda表达式，帮助我们写更少更优雅的代码：

// 一行即可
Runnable runnable = () -> System.out.println("do something...");

现在主流的编程范式主要有三种，面向过程、面向对象和函数式编程。

函数式编程并非一个很新的东西，早在50多年前就已经出现了。近几年，函数式编程越来越被人关注，出现了很多新的函数式编程语言，比如Clojure、Scala、Erlang等。一些非函数式编程语言也加入了很多特性、语法、类库来支持函数式编程，比如Java、Python、Ruby、JavaScript等。除此之外，Google Guava也有对函数式编程的增强功能。

函数式编程因其编程的特殊性，仅在科学计算、数据处理、统计分析等领域，才能更好地发挥它的优势，所以它并不能完全替代更加通用的面向对象编程范式。但是作为一种补充，它也有很大存在、发展和学习的意义。

什么是函数式编程

函数式编程的英文翻译是Functional Programming。

那到底什么是函数式编程呢？实际上，函数式编程没有一个严格的官方定义。严格上来讲，函数式编程中的“函数”，并不是指我们编程语言中的“函数”概念，而是指数学“函数”或者“表达式”（例如：y=f(x)）。不过，在编程实现的时候，对于数学“函数”或“表达式”，我们一般习惯性地将它们设计成函数。所以，如果不深究的话，函数式编程中的“函数”也可以理解为编程语言中的“函数”。

每个编程范式都有自己独特的地方，这就是它们会被抽象出来作为一种范式的原因。面向对象编程最大的特点是：以类、对象作为组织代码的单元以及它的四大特性。面向过程编程最大的特点是：以函数作为组织代码的单元，数据与方法相分离。那函数式编程最独特的地方又在哪里呢？实际上，函数式编程最独特的地方在于它的编程思想。函数式编程认为程序可以用一系列数学函数或表达式的组合来表示。函数式编程是程序面向数学的更底层的抽象，将计算过程描述为表达式。不过，这样说你肯定会有疑问，真的可以把任何程序都表示成一组数学表达式吗？

理论上讲是可以的。但是，并不是所有的程序都适合这么做。函数式编程有它自己适合的应用场景，比如科学计算、数据处理、统计分析等。在这些领域，程序往往比较容易用数学表达式来表示，比起非函数式编程，实现同样的功能，函数式编程可以用很少的代码就能搞定。但是，对于强业务相关的大型业务系统开发来说，费劲吧啦地将它抽象成数学表达式，硬要用函数式编程来实现，显然是自讨苦吃。相反，在这种应用场景下，面向对象编程更加合适，写出来的代码更加可读、可维护。

再具体到编程实现，函数式编程跟面向过程编程一样，也是以函数作为组织代码的单元。不过，它跟面向过程编程的区别在于，它的函数是无状态的。何为无状态？简单点讲就是，函数内部涉及的变量都是局部变量，不会像面向对象编程那样，共享类成员变量，也不会像面向过程编程那样，共享全局变量。函数的执行结果只与入参有关，跟其他任何外部变量无关。同样的入参，不管怎么执行，得到的结果都是一样的。这实际上就是数学函数或数学表达式的基本要求。举个例子：

// 有状态函数: 执行结果依赖b的值是多少，即便入参相同，
// 多次执行函数，函数的返回值有可能不同，因为b值有可能不同。
int b;
int increase(int a) {
  return a + b;
}

// 无状态函数：执行结果不依赖任何外部变量值
// 只要入参相同，不管执行多少次，函数的返回值就相同
int increase(int a, int b) {
  return a + b;
} 

不同的编程范式之间并不是截然不同的，总是有一些相同的编程规则。比如不管是面向过程、面向对象还是函数式编程，它们都有变量、函数的概念，最顶层都要有main函数执行入口，来组装编程单元（类、函数等）。只不过，面向对象的编程单元是类或对象，面向过程的编程单元是函数，函数式编程的编程单元是无状态函数。

Java对函数式编程的支持

实现面向对象编程不一定非得使用面向对象编程语言，同理，实现函数式编程也不一定非得使用函数式编程语言。现在，很多面向对象编程语言，也提供了相应的语法、类库来支持函数式编程。

Java这种面向对象编程语言，对函数式编程的支持可以通过一个例子来描述：

public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    Optional<Integer> result = Stream.of("a", "be", "hello")
            .map(s -> s.length())
            .filter(l -> l <= 3)
            .max((o1, o2) -> o1-o2);
    System.out.println(result.get()); // 输出2
  }
}

这段代码的作用是从一组字符串数组中，过滤出长度小于等于3的字符串，并且求得这其中的最大长度。

Java为函数式编程引入了三个新的语法概念：Stream类、Lambda表达式和函数接口（Functional Inteface）。Stream类用来支持通过“.”级联多个函数操作的代码编写方式；引入Lambda表达式的作用是简化代码编写；函数接口的作用是让我们可以把函数包裹成函数接口，来实现把函数当做参数一样来使用（Java 不像C那样支持函数指针，可以把函数直接当参数来使用）。

Stream类

假设我们要计算这样一个表达式：(3-1)*2+5。如果按照普通的函数调用的方式写出来，就是下面这个样子：

add(multiply(subtract(3,1),2),5);

不过，这样编写代码看起来会比较难理解，我们换个更易读的写法，如下所示：

subtract(3,1).multiply(2).add(5);

在Java中，“.”表示调用某个对象的方法。为了支持上面这种级联调用方式，我们让每个函数都返回一个通用的Stream类对象。在Stream类上的操作有两种：中间操作和终止操作。中间操作返回的仍然是Stream类对象，而终止操作返回的是确定的值结果。

再来看之前的例子，对代码做了注释解释。其中map、filter是中间操作，返回Stream类对象，可以继续级联其他操作；max是终止操作，返回的不是Stream类对象，无法再继续往下级联处理了。

public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    Optional<Integer> result = Stream.of("f", "ba", "hello") // of返回Stream<String>对象
            .map(s -> s.length()) // map返回Stream<Integer>对象
            .filter(l -> l <= 3) // filter返回Stream<Integer>对象
            .max((o1, o2) -> o1-o2); // max终止操作：返回Optional<Integer>
    System.out.println(result.get()); // 输出2
  }
}

Lambda表达式

前面提到Java引入Lambda表达式的主要作用是简化代码编写。实际上，我们也可以不用Lambda表达式来书写例子中的代码。我们拿其中的map函数来举例说明。

下面三段代码，第一段代码展示了map函数的定义，实际上，map函数接收的参数是一个Function接口，也就是函数接口。第二段代码展示了map函数的使用方式。第三段代码是针对第二段代码用Lambda表达式简化之后的写法。实际上，Lambda表达式在Java中只是一个语法糖而已，底层是基于函数接口来实现的，也就是第二段代码展示的写法。

// Stream类中map函数的定义：
public interface Stream<T> extends BaseStream<T, Stream<T>> {
  <R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);
  //...省略其他函数...
}

// Stream类中map的使用方法示例：
Stream.of("fo", "bar", "hello").map(new Function<String, Integer>() {
  @Override
  public Integer apply(String s) {
    return s.length();
  }
});

// 用Lambda表达式简化后的写法：
Stream.of("fo", "bar", "hello").map(s -> s.length());

Lambda表达式包括三部分：输入、函数体、输出。表示出来的话就是下面这个样子：

(a, b) -> { 语句1；语句2；...; return 输出; } //a,b是输入参数

实际上，Lambda表达式的写法非常灵活。上面给出的是标准写法，还有很多简化写法。比如，如果输入参数只有一个，可以省略 ()，直接写成 a->{…}；如果没有入参，可以直接将输入和箭头都省略掉，只保留函数体；如果函数体只有一个语句，那可以将{}省略掉；如果函数没有返回值，return语句就可以不用写了。

Optional<Integer> result = Stream.of("f", "ba", "hello")
        .map(s -> s.length())
        .filter(l -> l <= 3)
        .max((o1, o2) -> o1-o2);
        
// 还原为函数接口的实现方式
Optional<Integer> result2 = Stream.of("fo", "bar", "hello")
        .map(new Function<String, Integer>() {
          @Override
          public Integer apply(String s) {
            return s.length();
          }
        })
        .filter(new Predicate<Integer>() {
          @Override
          public boolean test(Integer l) {
            return l <= 3;
          }
        })
        .max(new Comparator<Integer>() {
          @Override
          public int compare(Integer o1, Integer o2) {
            return o1 - o2;
          }
        }); 

Lambda表达式与匿名类的异同集中体现在以下三点上：

• Lambda就是为了优化匿名内部类而生，Lambda要比匿名类简洁的多得多。
• Lambda仅适用于函数式接口，匿名类不受限。
• 即匿名类中的this是“匿名类对象”本身；Lambda表达式中的this是指“调用Lambda表达式的对象”。

函数接口

实际上，上面一段代码中的Function、Predicate、Comparator都是函数接口。我们知道，C语言支持函数指针，它可以把函数直接当变量来使用。

但是，Java没有函数指针这样的语法。所以它通过函数接口，将函数包裹在接口中，当作变量来使用。实际上，函数接口就是接口。不过，它也有自己特别的地方，那就是要求只包含一个未实现的方法。因为只有这样，Lambda表达式才能明确知道匹配的是哪个方法。如果有两个未实现的方法，并且接口入参、返回值都一样，那Java在翻译Lambda表达式的时候，就不知道表达式对应哪个方法了。

函数式接口也是Java interface的一种，但还需要满足：

• 一个函数式接口只有一个抽象方法(single abstract method)；
• Object类中的public abstract method不会被视为单一的抽象方法；
• 函数式接口可以有默认方法和静态方法；
• 函数式接口可以用@FunctionalInterface注解进行修饰。

满足这些条件的interface，就可以被视为函数式接口。例如Java 8中的Comparator接口：

@FunctionalInterface
public interface Comparator<T> {
    /**
     * single abstract method
     * @since 1.8
     */
    int compare(T o1, T o2);

    /**
     * Object类中的public abstract method 
     * @since 1.8
     */
    boolean equals(Object obj);

    /**
     * 默认方法
     * @since 1.8
     */
    default Comparator<T> reversed() {
        return Collections.reverseOrder(this);
    }

    
    /**
     * 静态方法
     * @since 1.8
     */
    public static <T extends Comparable<? super T>> Comparator<T> reverseOrder() {
        return Collections.reverseOrder();
    }

    //省略...
} 

函数式接口有什么用呢？一句话，函数式接口带给我们最大的好处就是：可以使用极简的lambda表达式实例化接口。为什么这么说呢？我们或多或少使用过一些只有一个抽象方法的接口，比如Runnable、ActionListener、Comparator等等，比如我们要用Comparator实现排序算法，我们的处理方式通常无外乎两种：

• 规规矩矩的写一个实现了Comparator接口的Java类去封装排序逻辑。若业务需要多种排序方式，那就得写多个类提供多种实现，而这些实现往往只需使用一次。
• 另外一种聪明一些的做法无外乎就是在需要的地方搞个匿名内部类，比如：

public class Test { 
    public static void main(String args[]) { 
        List<Person> persons = new ArrayList<Person>();
        Collections.sort(persons, new Comparator<Person>(){
            @Override
            public int compare(Person o1, Person o2) {
                return Integer.compareTo(o1.getAge(), o2.getAge());
            }
        });
    } 
}

匿名内部类实现的代码量没有多到哪里去，结构也还算清晰。Comparator接口在Jdk 1.8的实现增加了FunctionalInterface注解，代表Comparator是一个函数式接口，使用者可放心的通过lambda表达式来实例化。那我们来看看使用lambda表达式来快速new一个自定义比较器所需要编写的代码：

Comparator<Person> comparator = (p1, p2) -> Integer.compareTo(p1.getAge(), p2.getAge());

-> 前面的 () 是Comparator接口中compare方法的参数列表，-> 后面则是compare方法的方法体。

下面将Java提供的Function、Predicate这两个函数接口的源码，摘抄如下：

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);  // 只有这一个未实现的方法

    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;
    }
}

@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
    boolean test(T t); // 只有这一个未实现的方法

    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);
    }
} 

@FunctionalInterface注解使用场景

我们知道，一个接口只要满足只有一个抽象方法的条件，即可以当成函数式接口使用，有没有 @FunctionalInterface 都无所谓。但是jdk定义了这个注解肯定是有原因的，对于开发者，该注解的使用一定要三思而后续行。

如果使用了此注解，再往接口中新增抽象方法，编译器就会报错，编译不通过。换句话说，@FunctionalInterface 就是一个承诺，承诺该接口世世代代都只会存在这一个抽象方法。因此，凡是使用了这个注解的接口，开发者可放心大胆的使用Lambda来实例化。当然误用 @FunctionalInterface 带来的后果也是极其惨重的：如果哪天你把这个注解去掉，再加一个抽象方法，则所有使用Lambda实例化该接口的客户端代码将全部编译错误。

特别地，当某接口只有一个抽象方法，但没有用 @FunctionalInterface 注解修饰时，则代表别人没有承诺该接口未来不增加抽象方法，所以建议不要用Lambda来实例化，还是老老实实的用以前的方式比较稳妥。

小结

函数式编程更符合数学上函数映射的思想。具体到编程语言层面，我们可以使用Lambda表达式来快速编写函数映射，函数之间通过链式调用连接到一起，完成所需业务逻辑。Java的Lambda表达式是后来才引入的，由于函数式编程在并行处理方面的优势，正在被大量应用在大数据计算领域。