Lambda Expression In Java

 题记
在阅读JDK源码java.util.Collections的时候在UnmodifiableCollection类中看到了这么一段代码：

    public void forEach(Consumer<? super E> action) {
        c.forEach(action);
    }

而Consumer的源码如下：

    @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); };
        }
    }

乍一看让我费解了一下，但是回过神来发现这不就是Java8的新特性Lambda表达式吗。原来对于这些新特性只是了解一下，没注意到在JDK源码中也使用到了，所以抽时间看了一下Java的Lambda表达式。

Lambda演算
Lambda演算在wiki上的非形式化表述如下：

---

    在λ演算中，每个表达式都代表一个函数，这个函数有一个参数，并且返回一个值。不论是参数和返回值，也都是一个单参的函数。可以这么说，λ演算中，只有一种“类型”，那就是这种单参函数。
    函数是通过λ表达式匿名地定义的，这个表达式说明了此函数将对其参数进行什么操作。例如，“加2”函数f(x)= x + 2可以用lambda演算表示为λx.x + 2 (或者λy.y + 2，参数的取名无关紧要)而f(3)的值可以写作(λx.x + 2) 3。函数的应用（application）是左结合的：f x y =(f x) y。
    考虑这么一个函数：它把一个函数作为参数，这个函数将被作用在3上：λf.f 3。如果把这个（用函数作参数的）函数作用于我们先前的“加2”函数上：(λf.f 3)(λx.x+2)，则明显地，下述三个表达式：
        (λf.f 3)(λx.x+2) 与 (λx.x + 2) 3 与 3 + 2
    是等价的。有两个参数的函数可以通过lambda演算这么表达：一个单一参数的函数的返回值又是一个单一参数的函数（参见Currying）。例如，函数f(x, y) = x - y可以写作λx.λy.x - y。下述三个表达式：
        (λx.λy.x - y) 7 2 与 (λy.7 - y) 2 与 7 - 2
    也是等价的。然而这种lambda表达式之间的等价性无法找到一个通用的函数来判定。

---

详细的形式化表述请跳转Lambda演算

Java中的Lambda表达式
在Java中Lambda表达式可以有多个参数，在JSR335-FINAL(Java Specification Requests)中对Java中Lambda表达式的形式定义如下：

    LambdaExpression:
          LambdaParameters '->' LambdaBody

    LambdaParameters:
          Identifier
          '(' FormalParameterListopt ')'
          '(' InferredFormalParameterList ')'

    InferredFormalParameterList:
         Identifier
          InferredFormalParameterList ',' Identifier

    LambdaBody:
          Expression
          Block

    The following definitions from 8.4.1 are repeated here for convenience:

    FormalParameterList:
          LastFormalParameter
          FormalParameters ',' LastFormalParameter

    FormalParameters:
          FormalParameter
          FormalParameters, FormalParameter

    FormalParameter:
          VariableModifiersopt Type VariableDeclaratorId

    LastFormalParameter:
          VariableModifiersopt Type '...' VariableDeclaratorId
          FormalParameter

举例如下 Examples of lambda expressions:

    () -> {}                     // No parameters; result is void
    () -> 42                     // No parameters, expression body
    () -> null                   // No parameters, expression body
    () -> { return 42; }         // No parameters, block body with return
    () -> { System.gc(); }       // No parameters, void block body
    () -> {
          if (true) return 12;
          else {
            int result = 15;
            for (int i = 1; i < 10; i++)
                  result *= i;
            return result;
          }
    }                          // Complex block body with returns
    (int x) -> x+1             // Single declared-type parameter
    (int x) -> { return x+1; } // Single declared-type parameter
    (x) -> x+1                 // Single inferred-type parameter
    x -> x+1                   // Parens optional for single inferred-type case
    (String s) -> s.length()   // Single declared-type parameter
    (Thread t) -> { t.start(); } // Single declared-type parameter
    s -> s.length()              // Single inferred-type parameter
    t -> { t.start(); }          // Single inferred-type parameter
    (int x, int y) -> x+y      // Multiple declared-type parameters
    (x,y) -> x+y               // Multiple inferred-type parameters
    (final int x) -> x+1       // Modified declared-type parameter
    (x, final y) -> x+y        // Illegal: can't modify inferred-type parameters
    (x, int y) -> x+y          // Illegal: can't mix inferred and declared types

注意，在形式参数中推导参数和声明参数不能混用。(Inferred-type parameters的类型是编译的时候从上下问中推断出来的，比如说是借口定义时指定的参数)

Java SE 8: Lambda Quick Start
以下例子摘自 Oracle-Java SE 8: Lambda Quick Start

Runnable Lambda

    public class LambdaTest {
        public static void main(String[] args) {
            LambdaTest LT = new LambdaTest();
            LT.runnableTest();
            LT.comparatorTest();
        }
        public void runnableTest() {
            System.out.println("=== RunnableTest ===");
            // Anonymous Runnable
            Runnable r1 = new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("Hello world one!");
                }
            };
            // Lambda Runnable
            Runnable r2 = () -> {
                System.out.println("Hello world two!");
                System.out.println("Hello world three!");
            };
            // Run em!
            r1.run();
            r2.run();
        }
    }

上面代码用Lambda表达式代替了*New*操作和*run*方法的定义，使得代码更为简洁。

Comparator Lambda

    class Person {
        public String surName;
        public Person(String surName) {
            super();
            this.surName = surName;
        }
        public void printName() {
            System.out.println(this.surName);
        }
    }

    public void comparatorTest() {
        List<Person> personList = new ArrayList<Person>();
        personList.add(new Person("B"));
        personList.add(new Person("A"));

        //        // Sort with Inner Class
        //        Collections.sort(personList, new Comparator<Person>() {
        //            public int compare(Person p1, Person p2) {
        //                return p1.surName.compareTo(p2.surName);
        //            }
        //        });
        //
        //        System.out.println("=== Sorted Asc SurName ===");
        //        for (Person p : personList) {
        //             p.printName();
        //        }

        // Use Lambda instead
        // Print Asc
        System.out.println("=== Sorted Asc SurName ===");
        Collections.sort(personList, (p1, p2) -> p1.surName.compareTo(p2.surName));
        for (Person p : personList) {
            p.printName();
        }

        // Print Desc
        System.out.println("=== Sorted Desc SurName ===");
        Collections.sort(personList, (p1, p2) -> p2.surName.compareTo(p1.surName));
        for (Person p : personList) {
            p.printName();
        }
    }

这里则是用Lambda表达式代替了匿名的对象*Comparator*的作用。

Function
原先我以为Lambda表达式的加入只是一个简单的语法糖，但是后面发现还有更多的语法糖。设想一下如果你需要对一个List的数据做判断和筛选，通常我们会按照下面这种一般做法。

    public class Person {
        public String givenName;
        public String surName;
        public int age;
        public Gender gender;
        public String eMail;
        public String phone;
        public String address;
        //getters and setters
        //...
    }

    public class RoboContactMethods2 {
        public void callDrivers(List<Person> pl){
               for(Person p:pl){
                 if (isDriver(p)){
                       roboCall(p);
                 }
           }
        }

           public boolean isDriver(Person p){
               return p.getAge() >= 16;
           }

           public void roboCall(Person p){
               System.out.println("Calling " + p.getGivenName() + " " + p.getSurName() + " age " + p.getAge() + " at " + p.getPhone());
         }
    }

这样如果有多个过滤条件的需求，就需要实现更多的判断函数，那么更文艺一些的做法是这样的(还是用上面的Person对象举例)：

    public interface MyTest<T> {
           public boolean test(T t);
    }

    public class RoboContactAnon {
           public void phoneContacts(List<Person> pl, MyTest<Person> aTest){
             for(Person p:pl){
                   if (aTest.test(p)){
                     roboCall(p);
                   }
             }
           }

           public void roboCall(Person p){
             System.out.println("Calling " + p.getGivenName() + " " + p.getSurName() + " age " + p.getAge() + " at " + p.getPhone());
           }

           public static void main (String[] args) {
            //get PersonList for testing.
               List<Person> pl = getInitedPersonList();
            RoboContactAnon rca = new RoboContactAnon();
            rca.phoneContacts(pl, (p) -> p.getAge() > 16);
           }
    }

我们这里使用了一个自定义的*MyTest*接口，但是其实我们不需要自己定义这个接口，因为在Java SE 8中，JDK为我们提供了一系列的接口供我们使用，比如我们的*MyTest*接口就可以用系统提供的*Predicte*接口进行替代，它的定义跟MyTest类似：

    public interface Predicate<T> {
        public boolean test(T t);
    }

除了Predicte，JDK还提供了一系列的接口供我们在不同的场景使用。它们在java.util.function包中。下面是列举的是JDK提供的一部分接口：

    - Predicate: A property of the object passed as argument
    - Consumer: An action to be performed with the object passed as argument
    - Function: Transform a T to a U
    - Supplier: Provide an instance of a T (such as a factory)
    - UnaryOperator: A unary operator from T -> T
    - BinaryOperator: A binary operator from (T, T) -> T

Collections
除了上面提到的语法糖，和java.util.function包以外，Java SE 8还增加了java.util.stream，这是对Collections对象起到了一定的增强。考虑以下场景“你需要对一个List根据一定的条件对元素进行过滤，然后求过滤后元素某个属性的平均值”。我们的做法一般是这样：

    //仍旧以List<Person>举例
    double sum = 0;
    int count = 0;
    for (Person p : personList) {
        if (p.getAge() > 0) {
            sum += p.getAge();
            cout++;
        }
    }
    double average = count > 0 ? sum/average : 0;

如果我们使用stream的话，就可以用更文艺一点的写法：

    // Get average of ages
    OptionalDouble averageAge = pl
             .stream()
             .filter((p) -> p.getAge() > 16)
             .mapToDouble(p -> p.getAge())
             .average();

可以看到这样写的话代码确实更简洁了，它把List转换成一个Stream，然后对元素进行操作。而且如果我们做的操作对元素的顺序没有要求那么我们可以将stream()方法换成parallelStream()方法，这样可以得到一个可以并行处理的流，当我们对元素进行处理的时候，JVM会把这个流进行划分，对每一个部分并行的进行处理，然后再进行归并，这样可以提高处理的效率，而这些对开发人员是透明的。

划分，映射，归并，这些听起来有没有觉得很熟悉，对，这就是MapReduce，只是跟Hadoop用机器作为处理节点不一样的是这里对于划分的处理是在一个JVM里面进行的。在java.util.stream中给我们提供了一个通用的reduce()方法：

     <U> U reduce(U identity,
              BiFunction<U, ? super T, U> accumulator,
              BinaryOperator<U> combiner);

    int sumOfWeights = widgets.stream()
                              .reduce(0,
                              (sum, b) -> sum + b.getWeight()),
                            Integer::sum);

其中identity是一个reduce的初始值，如果没有元素进行reduce的话则返回identitiy值，如果有元素进行reduce则在identity上进行累加。accumulator是一个累加器，负责把部分结果与另一个元素进行累加，combiner则是一个合并器，负责把不同部分的子结果进行合并，取得最终的结果。这里如果所进行的运算对元素的元素没有要求的话我们可以使用parallelStream()，取得一个并行的流，这样才能对流进行划分和并行处理，充分发挥这些新特性的性能。

将一个输入的collection做转换也是可以的比如下面的例子就返回了元素中某个属性的List：

     <R> R collect(Supplier<R> supplier,
               BiConsumer<R, ? super T> accumulator,
               BiConsumer<R, R> combiner);

     ArrayList<String> strings = stream.collect(() -> new ArrayList<>(),
                                                (c, e) -> c.add(e.toString()),
                                                (c1, c2) -> c1.addAll(c2));

     List<String> strings = stream.map(Object::toString)
                                  .collect(ArrayList::new, ArrayList::add, ArrayList::addAll);

有可能你觉得这不是KV对操作，不像MapReduce，那么你可以将结果映射成一个Map，这就是妥妥的KV对了，这个操作需要使用到groupingBy(Collection collection)方法：

     Collector<Employee, ?, Integer> summingSalaries
         = Collectors.summingInt(Employee::getSalary);

     Map<Department, Integer> salariesByDept
         = employees.stream().collect(Collectors.groupingBy(Employee::getDepartment,
                                                            summingSalaries));

以上只是对于stream的简单举例，详情请阅读[JSR335-FINAL]中关于java.util.stream的部分。

后记
起初我认为这些新特性只是一些语法糖，现在我也还认为这个特性是个语法糖。虽然在开发过程中很少用到这个新特性（甚至都不会用到），但是了解这些新特性总是没有坏除的，恰当的使用这些新特性在某些场景下的确可以取得很好的效果（简洁的代码，优秀的性能）。这篇文章的初衷一是对自己所得的记录，二是做一个分享。写得不好的或者谬误的地方还请大家批评指正，一起交流，共同进步。

参考文献
Lambda演算-wikipedia
JSR335-FINAL(Java Specification Requests)
Oracle-Java SE 8: Lambda Quick Start

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