探索Java語言與JVM中的Lambda表達式

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     Lambda表達式是自Java SE 5引入泛型以來最重大的Java語言新特性，本文是2012年度最後一期Java Magazine中的一篇文章，它介紹了Lamdba的設計初衷，應用場景與基本語法。(2013.01.02最後更新)

　　Lambda表達式，這個名字由該項目的專家組選定，描述了一種新的函數式編程結構，這個即將出如今Java SE 8中的新特性正被你們急切地等待着。有時你也會聽到人們使用諸如閉包，函數直接量，匿名函數，及SAM(Single Abstract Method)這樣的術語。其中一些術語彼此之間會有一些細微的不一樣，但基本上它們都指代相同的功能。

　　雖然一開始會以爲Lambda表達式看起來很陌生，但很容易就能掌握它。並且爲了編寫可徹底利用現代多核CPU的應用程序，掌握Lambda表達式是相當重要的。

　　須要牢記的一個關鍵概念就是，Lambda表達式是一個很小且能被看成數據進行傳遞的函數。須要掌握的第二個概念就是，理解集合對象是如何在內部進行遍歷的，這種遍歷不一樣於當前已有的外部順序化遍歷。

在本文中，咱們將向你展現Lambda表達式背後的動因，應用示例，固然，還有它的語法。

爲何你須要Lambda表達式

　　程序員須要Lambda表達式的緣由主要有三個：

　　1. 更緊湊的代碼

　　2. 經過提供額外的功能對方法的功能進行修改的能力

　　3. 更好地支持多核處理

　　更緊湊的代碼

　　Lambda表達式以一種簡潔的方式去實現僅有一個方法的Java類。

　　例如，若是代碼中有大量的匿名內部類–諸如用於UI應用中的監聽器與處理器實現，以及用於併發應用中的Callable與Runnable實現–在使用了Lambda表達式以後，將使代碼變得很是短，且更易於理解。

　　修改方法的能力

　　有時，方法不具有咱們想要的一些功能。例如，Collection接口中的contains()方法只有當傳入的對象確實存在於該集合對象中時纔會返回true。但咱們沒法去幹預該方法的功能，好比，若使用不一樣的大小寫方案也能夠認爲正在查找的字符串存在於這個集合對象中，咱們但願此時contains()方法也能返回true。

　　簡單點兒說，咱們所指望作的就是」將咱們本身的新代碼傳入」已有的方法中，而後再調用這個傳進去的代碼。Lambda表達式提供了一種很好的途徑來表明這種被傳入已有方法且應該還會被回調的代碼。

　　更好地支持多核處理

　　當今的CPU具有多個內核。這就意味着，多線程程序可以真正地被並行執行，這徹底不一樣於在單核CPU中使用時間共享這種方式。經過在Java中支持函數式編程語法，Lambda表達式能幫助你編寫簡單的代碼去高效地應用這些CPU內核。
例如，你可以並行地操控大集合對象，經過利用並行編程模式，如過濾、映射和化簡(後面將會很快接觸到這些模式)，就可以使用到CPU中全部可用的硬件線程。

　　Lambda表達式概覽

　　在前面提到的使用不一樣大小寫方案查找字符串的例子中，咱們想作的就是把方法toLowerCase()的表示法做爲第二個參數傳入到contains()方法中，爲此須要作以下的工做：

　　1. 找到一種途徑，可將代碼片段看成一個值(某種對象)進行處理

　　2. 找到一種途徑，將上述代碼片段傳遞給一個變量

　　換言之，咱們須要將一個程序邏輯包裝到某個對象中，而且該對象能夠被進行傳遞。爲了說的更具體點兒，讓咱們來看兩個基本的Lambda表達式的例子，它們都是能夠被現有的Java代碼進行替換的。

　　過濾

　　你可能想傳遞的代碼片段可能就是過濾器了，這是一個很好的示例。例如，假設你正在使用(Java SE 7預覽版中的)java.io.FileFilter去肯定目錄隸屬於給定的路徑，如清單1所示，

File dir = new File("/an/interesting/location/");
FileFilter directoryFilter = new FileFilter() {
        public boolean accept(File file) {
        return file.isDirectory();
    }
};
File[] directories = dir.listFiles(directoryFilter);

在使用Lambda表達式以後，代碼會獲得極大的簡化，如清單2所示，

File dir = new File("/an/interesting/location/");
FileFilter directoryFilter = (File f) -> f.isDirectory();
File[] directories = dir.listFiles(directoryFilter);

賦值表達式的左邊會推導出類型(FileFilter)，右邊則看起來像FileFilter接口中accept()方法的一個縮小版，該方法會接受一個File對象，在斷定f.isDirectory()以後返回一個布爾值。

　　實際上，因爲Lambda表達式利用了類型推導，基於後面的工做原理，咱們還能夠進一步簡化上述代碼。編譯器知道FileFilter只有惟一的方法accept()，因此它一定是該方法的實現。咱們還知，accept()方法只須要一個File類型的參數。所以，f一定是File類型的。如清單3所示，

File dir = new File("/an/interesting/location/");
File[] directories = dir.listFiles(f -> f.isDirectory());

你能夠看到，使用Lambda表達式會大幅下降模板代碼的數量。

　　一旦你習慣於使用Lambda表達式，它會使邏輯流程變得很是易於閱讀。在達到這一目的的關鍵方法之一就是將過濾邏輯置於使用該邏輯的方法的側邊。

事件處理器

　　UI程序是另外一個大量使用匿名內部類的領域。讓咱們將一個點擊監聽器賦給一個按鈕，如清單4所示，

Button button = new Button();
button.addActionListener(new ActionListener() {
    public void actionPerformed(ActionEvent e) {
    ui.showSomething();
    }
});

這多麼代碼無非是說」當點擊該按鈕時，調用該方法」。使用Lambda表達式就可寫出如清單5所示的代碼，

ActionListener listener = event -> {ui.showSomething();};
button.addActionListener(listener);

該監聽器在必要時可被複用，但若是它僅需被使用一次，清單6中的代碼則考慮了一種很好的方式。

button.addActionListener(event -> {ui.showSomething();});

在這個例子中，這種使用額外花括號的語法有些古怪，但這是必須的，由於actionPerformed()方法返回的是void。後面咱們會看到與此有關的更多內容。

　　如今讓咱們轉而關注Lambda表達式在編寫處理集合對象的新式代碼中所扮演的角色，尤爲是當針對兩種編程風格，外部遍歷與內部遍歷，之間的轉換的時候。

　　外部遍歷 vs. 內部遍歷

　　到目前爲止，處理Java集合對象的標準方式是經過外部遍歷。之因此稱其爲外部遍歷，是由於要使用集合對象外部的控制流程去遍歷集合所包含的元素。這種傳統的處理集合的方式爲多數Java程序員所熟知，儘管他們並不知道或不使用外部遍歷這個術語。

　　如清單7所示，Java語言爲加強的for循環構造了一個外部迭代器，並使用這個迭代器去遍歷集合對象，

List<String> myStrings = getMyStrings();
for (String myString : myStrings) {
    if (myString.contains(possible)){
        System.out.println(myString + " contains " + possible);
    }
}

使用這種方法，集合類表明着所有元素的一個」總體」視圖，而且該集合對象還能支持對任意元素的隨機訪問，程序員可能會有這種需求。

　　基於這種觀點，可經過調用iterator()方法去遍歷集合對象，該方法將返回集合元素類型的迭代器，該迭代器是針對同一集合對象的更具限制性的視圖。它沒有爲隨機訪問暴露任何接口；相反，它純粹是爲了順序地訪問集合元素而設計的。這種順序本性使得當你試圖併發地訪問集合對象時就會形成臭名昭著的ConcurrentModificationException。

　　另外一種可選的方案就是要求集合對象要可以在內部管理迭代器(或循環)，這種方案就是內部遍歷，當使用Lambda表達式時會優先選擇內部遍歷。

　　除了新的Lambda表達式語法之外，Lambda項目還包括一個通過大幅升級的集合框架類庫。此次升級的目的是爲了能更易於編寫使用內部遍歷的代碼，以支持一系列衆所周知的函數式編程典範。

　　使用Lambda的函數式編程

　　曾經，大多數開發者發現他們須要集合可以執行以下一種或幾種操做：

　　1. 建立一個新的集合對象，但要過濾掉不符合條件的元素。

　　2. 對集合中的元素逐一進行轉化，並使用轉化後的集合。

　　3. 建立集合中全部元素的某個屬性的整體值，例如，合計值與平均值。這樣的任務(分別稱之爲過濾，映射和化簡)具備共通的要點：它們都須要處理集合中的每一個元素。

　　程序不管是斷定某個元素是否存在，或是判斷元素是否符合某個條件(過濾)，或是將元素轉化成新元素並生成新集合(映射)，或是計算整體值(化簡)，關鍵原理就是」程序必須處理到集合中的每一個元素」。
這就暗示咱們須要一種簡單的途徑去表示用於內部遍歷的程序。幸運地是，Java SE 8爲此類表示法提供了構建語句塊。

　　支持基本函數式編程的Java SE 8類

　　Java SE 8中的一些類意在被用於實現前述的函數式典範，這些類包括Predicate，Mapper和Block–固然，還有其它的一些類–它們都在一個新的java.util.functions包中。

　　看看Predicate類的更多細節，該類常被用於實現過濾算法；將它做用於一個集合，以返回一個包含有符合謂語條件元素的新集合。何爲謂語，有不少種解釋。Java SE 8認爲謂語是一個依據其變量的值來斷定真或假的方法。

　　再考慮一下咱們以前看過的一個例子。給定一個字符串的集合，咱們想斷定它是否包含有指定的字符串，但但願字符串的比較是大小寫不敏感的。

　　在Java SE 7中，咱們將須要使用外部遍歷，其代碼將如清單8所示，

public void printMatchedStrings(List<String> myStrings) {
List<String> out = new ArrayList<>();
for (String s: myStrings) {
    if (s.equalsIgnoreCase(possible))
        out.add(s);
}
log(out);
}

而在即將發佈的Java SE 8中，咱們使用Predicate以及Collections類中一個新的助手方法(過濾器)就可寫出更爲緊湊的程序，如清單9所示，

public void printMatchedStrings() {
Predicate<String> matched = s -> s.equalsIgnoreCase(possible);
log(myStrings.filter(matched));
}

事實上，若是使用更爲通用的函數式編程風格，你只須要寫一行代碼，如清單10所示，

public void printMatchedStrings() {
log(myStrings.filter(s -> s.equalsIgnoreCase(possible)));
}

如你所見，代碼依然很是的易讀，而且咱們也體會到了使用內部遍歷的好處。

　　最後，讓咱們討論一下Lambda表達式語法的更多細節。

　　Lambda表達式的語法規則

　　Lambda表達式的基本格式是以一個可被接受的參數列表開頭，以一些代碼(稱之爲表達式體/body)結尾，並以箭頭(->)將前二者分隔開。

　　注意：Lambda表達式的語法仍可能會面臨改變，但在撰寫本文的時候，下面示例中所展現的語法是可以正常工做的。

　　Lambda表達式很是倚重類型推導，與Java的其它語法相比，這顯得極其不一樣尋常。

　　讓咱們進一步考慮以前已經看過的一個示例(請見清單11)。若是看看ActionListener的定義，能夠發現它只有一個方法(請見清單12)。

ActionListener listener = event -> {ui.showSomething();};

public interface ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent event);
}

因此，在清單11右側的Lambda表達式，可以很容易地理解爲」這是針對僅聲明單個方法的接口的方法定義」。注意，仍然必需要遵照Java靜態類型的通常規則；這是使類型推導能正確工做的惟一途徑。

　　據此能夠發現，使用Lambda表達式能夠將先前所寫的匿名內部類代碼轉換更緊湊的代碼。

　　還須要意識到有另外一個怪異的語法。讓咱們再回顧下上述示例，如清單13所示，

FileFilter directoryFilter = (File f) -> f.isDirectory();

僅一瞥之，它看起來與ActionListener的示例類似，但讓咱們看看FileFilter接口的定義(請見清單14)。accept()方法會返回一個布爾值，但並無一個顯式的返回語句。相反，該返回值的類型是從Lambda表達式中推導出來的

public interface FileFilter {
    public boolean accept(File pathname);
}

這就能解釋，當方法返回類型爲void時，爲何要進行特別處理了。對於這種情形，Lambda表達式會使用一對額外的小括號去包住代碼部分(表達式體/body)。若沒有這種怪異的語法，類型推導將沒法正常工做–但你要明白，這一語法可能會被改變。

　　Lambda表達式的表達式體能夠包含多條語句，對於這種情形，表達式體須要被小括號包圍住，但」被推導出的返回類型」這種語法將不啓做用，那麼返回類型關鍵字就必不可少。

　　最後還須要提醒你的是：當前，IDE彷佛還不支持Lambda語法，因此當你第一次嘗試Lambda表達式時，必需要格外注意javac編譯器拋出的任何警告。

　　結論

　　Lambda表達式是自Java SE 5引入泛型以來最重大的Java語言新特性。應用得當，Lambda表達式可以使你寫出簡潔的代碼，爲已有方法增長額外的功能，並能更好地適應多核處理器。到目前爲止，咱們能確定的是，你正急切地想去嘗試Lambda表達式，因此咱也別囉嗦了…

　　你能夠從Lambda項目的主頁中得到包含有Lambda表達式的Java SE 8快照版。一樣地，在試用二進制包時，你也應該先閱讀一下」Lambda項目狀態」的相關文章，能夠在此處找到它們。