java基础-函数式编程

简介

来源：廖雪峰的官方网站

函数式编程就是一种抽象程度很高的编程范式，纯粹的函数式编程语言编写的函数没有变量，因此，任意一个函数，只要输入是确定的，输出就是确定的，这种纯函数我们称之为没有副作用。
而允许使用变量的程序设计语言，由于函数内部的变量状态不确定，同样的输入，可能得到不同的输出，因此，这种函数是有副作用的。

函数式编程的一个特点就是，允许把函数本身作为参数传入另一个函数，还允许返回一个函数！

函数式编程最早是数学家阿隆佐·邱奇研究的一套函数变换逻辑，又称Lambda Calculus（λ-Calculus），所以也经常把函数式编程称为Lambda计算。

Java平台从Java 8开始，支持函数式编程。

这部分整理的导图：链接

1. Lambda基础

回顾：java的方法

**概念：FunctionalInterface **

把只定义了单方法的接口称之为FunctionalInterface，用注解@FunctionalInterface标记。

• Comparator
• Runnable
• Callable

例如，Callable接口：

@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

Lambda表达式

在使用单方法接口的时候，以Comparator为例，我们想要调用Arrays.sort()时，可以传入一个Comparator实例，以匿名类方式编写如下：

String[] array = ...
Arrays.sort(array, new Comparator<String>() {
    public int compare(String s1, String s2) {
        return s1.compareTo(s2);
    }
});

上述写法非常繁琐。从Java 8开始，我们可以用Lambda表达式替换单方法接口。改写上述代码如下：

// Lambda 
import java.util.Arrays;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String[] array = new String[] { "Apple", "Orange", "Banana", "Lemon" };
        Arrays.sort(array, (s1, s2) -> {
            return s1.compareTo(s2);
        });
        System.out.println(String.join(", ", array));
    }
}

观察Lambda表达式的写法，它只需要写出方法定义：

(s1, s2) -> {
    return s1.compareTo(s2);
}

其中，
参数是(s1, s2)，参数类型可以省略，因为编译器可以自动推断出String类型。
-> { ... }表示方法体，所有代码写在内部即可。Lambda表达式没有class定义，因此写法非常简洁。

如果只有一行return xxx的代码，完全可以用更简单的写法：

Arrays.sort(array, (s1, s2) -> s1.compareTo(s2));

返回值的类型也是由编译器自动推断的，这里推断出的返回值是int，因此，只要返回int，编译器就不会报错。

2. 方法引用

在上面介绍了 Lambda的表达式，但是，还可以更进一步，不写表达式，直接传入方法引用

2.1 引用静态方法

import java.util.Arrays; 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String[] array = new String[] { "Apple", "Orange", "Banana", "Lemon" };
        Arrays.sort(array, Main::cmp);
        System.out.println(String.join(", ", array));
    }

    static int cmp(String s1, String s2) {
        return s1.compareTo(s2);
    }
}

在Arrays.sort()中直接传入了静态方法cmp的引用，用Main::cmp表示。

因此，所谓方法引用，是指如果某个方法签名和接口恰好一致，就可以直接传入方法引用。
注意：在这里，方法签名只看参数类型和返回类型，不看方法名称，也不看类的继承关系。

因为Comparator接口定义的方法是int compare(String, String)，和静态方法int cmp(String, String)相比，除了方法名外，方法参数一致，返回类型相同，因此，我们说两者的方法签名一致，可以直接把方法名作为Lambda表达式传入：

Arrays.sort(array, Main::cmp);

2.2 引用实例方法

import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String[] array = new String[] { "Apple", "Orange", "Banana", "Lemon" };
        Arrays.sort(array, String::compareTo);
        System.out.println(String.join(", ", array));
    }
}

观察String.compareTo()的方法定义：

public final class String {
    public int compareTo(String o) {
        ...
    }
}

这个方法的签名只有一个参数，为什么和int Comparator.compare(String, String)能匹配呢？

因为实例方法有一个隐含的this参数，String类的compareTo()方法在实际调用的时候，第一个隐含参数总是传入this，相当于静态方法：

public static int compareTo(this, String o);

所以，String.compareTo()方法也可作为方法引用传入。

2.3 引用构造方法

例子：如果要把一个List转换为List

// 引用构造方法
import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> names = List.of("Bob", "Alice", "Tim");
        List<Person> persons = 	names
            				  	.stream()
            					.map(Person::new)
            					.collect(Collectors.toList());
        System.out.println(persons);
    }
}

class Person {
    String name;
    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String toString() {
        return "Person:" + this.name;
    }
}

这里的map()需要传入的FunctionalInterface的定义是：

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);
}

把泛型对应上就是方法签名Person apply(String)，即传入参数String，返回类型Person。
而Person类的构造方法恰好满足这个条件，因为构造方法的参数是String，

构造方法虽然没有return语句，但它会隐式地返回this实例，类型就是Person，因此，此处可以引用构造方法。构造方法的引用写法是类名::new，因此，此处传入Person::new。

小结

FunctionalInterface允许传入：

• 接口的实现类（传统写法，代码较繁琐）；
• Lambda表达式（只需列出参数名，由编译器推断类型）；
• 符合方法签名的静态方法；
• 符合方法签名的实例方法（实例类型被看做第一个参数类型）；
• 符合方法签名的构造方法（实例类型被看做返回类型）。

FunctionalInterface不强制继承关系，不需要方法名称相同，只要求方法参数（类型和数量）与方法返回类型相同，即认为方法签名相同。

3. 使用Stream

Java从8开始，不但引入了Lambda表达式，还引入了流式API：Stream API。它位于java.util.stream包中。

简介：

创建Stream

Stream<BigInteger> naturals = createNaturalStream();
naturals.map(n -> n.multiply(n)) // 1, 4, 9, 16, 25...
        .limit(100)
        .forEach(System.out::println);

Stream的特点：

• 它可以“存储”有限个或无限个元素。这里的存储打了个引号，是因为元素有可能已经全部存储在内存中，也有可能是根据需要实时计算出来的。

• 一个Stream可以轻易地转换为另一个Stream，而不是修改原Stream本身。

• 真正的计算通常发生在最后结果的获取，也就是惰性计算。

通常把Stream的操作写成链式操作，代码更简洁：

createNaturalStream()
    .map(BigInteger::multiply)
    .limit(100)
    .forEach(System.out::println);

因此，Stream API的基本用法就是：创建一个Stream，然后做若干次转换，最后调用一个求值方法获取真正计算的结果：

int result = createNaturalStream() // 创建Stream
             .filter(n -> n % 2 == 0) // 任意个转换
             .map(n -> n * n) // 任意个转换
             .limit(100) // 任意个转换
             .sum(); // 最终计算结果

3.1 创建Stream

静态方法:Stream.of()

直接用Stream.of()静态方法，传入可变参数即创建了一个能输出确定元素的Stream：

import java.util.stream.Stream; 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream = Stream.of("A", "B", "C", "D");
        // forEach()方法相当于内部循环调用，
        // 可传入符合Consumer接口的void accept(T t)的方法引用：
        stream.forEach(System.out::println);
    }
}

基于数组或Collection

第二种创建Stream的方法是基于一个数组或者Collection，这样该Stream输出的元素就是数组或者Collection持有的元素：

import java.util.*; 
import java.util.stream.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream1 = Arrays.stream(new String[] { "A", "B", "C" });
        Stream<String> stream2 = List.of("X", "Y", "Z").stream();
        stream1.forEach(System.out::println);
        stream2.forEach(System.out::println);
    }
}

把数组变成Stream使用Arrays.stream()方法。

对于Collection（List、Set、Queue等），直接调用stream()方法就可以获得Stream。

上述创建Stream的方法都是把一个现有的序列变为Stream，它的元素是固定的。

静态方法:Stream.genrate()，传入Supplier

创建Stream还可以通过Stream.generate()方法，它需要传入一个Supplier对象：

Stream<String> s = Stream.generate(Supplier<String> sp);

基于Supplier创建的Stream会不断调用Supplier.get()方法来不断产生下一个元素，这种Stream保存的不是元素，而是算法，它可以用来表示无限序列。

例如，我们编写一个能不断生成自然数的Supplier，它的代码非常简单，每次调用get()方法，就生成下一个自然数：

import java.util.function.*; 
import java.util.stream.*; 

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<Integer> natual = Stream.generate(new NatualSupplier());
        // 注意：无限序列必须先变成有限序列再打印:
        natual.limit(20).forEach(System.out::println);
    }
}

class NatualSupplier implements Supplier<Integer> {
    int n = 0;
    public Integer get() {
        n++;
        return n;
    }
}

每个元素都是实时计算出来的，用的时候再算。

对于无限序列，如果直接调用forEach()或者count()这些最终求值操作，会进入死循环，因为永远无法计算完这个序列，所以正确的方法是先把无限序列变成有限序列，例如，用limit()方法可以截取前面若干个元素，这样就变成了一个有限序列，对这个有限序列调用forEach()或者count()操作就没有问题。

其他方法

通过一些API提供的接口，直接获得Stream。

例如，Files类的lines()方法可以把一个文件变成一个Stream，每个元素代表文件的一行内容：

try (Stream<String> lines = Files.lines(Paths.get("/path/to/file.txt"))) {
    ...
}

此方法对于按行遍历文本文件十分有用。

另外，正则表达式的Pattern对象有一个splitAsStream()方法，可以直接把一个长字符串分割成Stream序列而不是数组：

Pattern p = Pattern.compile("\s+");
Stream<String> s = p.splitAsStream("The quick brown fox jumps over the lazy dog");
s.forEach(System.out::println);

基本类型的Stream

因为Java的范型不支持基本类型，所以我们无法用Stream这样的类型，会发生编译错误。
为了保存int，只能使用String，但这样会产生频繁的装箱、拆箱操作。
为了提高效率，Java标准库提供了IntStream、LongStream和DoubleStream这三种使用基本类型的Stream，它们的使用方法和范型Stream没有大的区别，设计这三个Stream的目的是提高运行效率：

// 将int[]数组变为IntStream:
IntStream is = Arrays.stream(new int[] { 1, 2, 3 });
// 将Stream<String>转换为LongStream:
LongStream ls = List.of("1", "2", "3").stream().mapToLong(Long::parseLong);

3.2 使用map

• map()方法用于将一个Stream的每个元素映射成另一个元素并转换成一个新的Stream；
• 可以将一种元素类型转换成另一种元素类型。

map操作，把一个Stream的每个元素一一对应到应用了目标函数的结果上。

Stream<Integer> s = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5);
Stream<Integer> s2 = s.map(n -> n * n);

Function接口对象

如果我们查看Stream的源码，会发现map()方法接收的对象是Function接口对象，它定义了一个apply()方法，负责把一个T类型转换成R类型：

<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);

其中，Function的定义是：

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    // 将T类型转换为R:
    R apply(T t);
}

利用map()，不但能完成数学计算，对于字符串操作，以及任何Java对象都是非常有用的。例如：

import java.util.*; 
mport java.util.stream.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List.of("  Apple ", " pear ", " ORANGE", " BaNaNa ")
                .stream()
                .map(String::trim) // 去空格
                .map(String::toLowerCase) // 变小写
                .forEach(System.out::println); // 打印
    }
}

例子：

使用map()把一组String转换为LocalDate并打印。

package com.itranswarp.learnjava;

import java.time.LocalDate;
import java.util.Arrays;

public class Main {

	public static void main(String[] args) {
		String[] array = new String[] { " 2019-12-31 ", "2020 - 01-09 ", "2020- 05 - 01 ", "2022 - 02 - 01", " 2025-01 -01" };
		Arrays.stream(array)
//		.map(s -> s.replaceAll("\s+", "")) //使用正则表达式，将空格删除掉
		.map(s -> s.replace(" ", ""))
		.map(LocalDate::parse)
		.forEach(System.out::println);
	}
}

3.3 使用filter

Stream.filter()是Stream的另一个常用转换方法。

所谓filter()操作，就是对一个Stream的所有元素一一进行测试，不满足条件的就被“滤掉”了，剩下的满足条件的元素就构成了一个新的Stream。

例如，我们对1，2，3，4，5这个Stream调用filter()，传入的测试函数f(x) = x % 2 != 0用来判断元素是否是奇数，这样就过滤掉偶数，只剩下奇数，因此我们得到了另一个序列1，3，5：

例子：只保留奇数

import java.util.stream.IntStream;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9)
                .filter(n -> n % 2 != 0)
                .forEach(System.out::println);
    }
}

Predicate接口对象

filter()方法接收的对象是Predicate接口对象，它定义了一个test()方法，负责判断元素是否符合条件：

@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
    // 判断元素t是否符合条件:
    boolean test(T t);
}

filter()除了常用于数值外，也可应用于任何Java对象。

例子：从一组给定的LocalData中过滤掉工作日，得到休息日

import java.time.*;
import java.util.function.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream.generate(new LocalDateSupplier())
                .limit(31)
                .filter(ldt -> ldt.getDayOfWeek() == DayOfWeek.SATURDAY || ldt.getDayOfWeek() == DayOfWeek.SUNDAY)
                .forEach(System.out::println);
    }
}

class LocalDateSupplier implements Supplier<LocalDate> {
    LocalDate start = LocalDate.of(2020, 1, 1);
    int n = -1;
    public LocalDate get() {
        n++;
        return start.plusDays(n);
    }
}

3.4 使用reduce

map()和filter()都是Stream的转换方法，而Stream.reduce()则是Stream的一个聚合方法，它可以把一个Stream的所有元素按照聚合函数聚合成一个结果。

例子：Stream求和操作

import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int sum = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).reduce(0, (acc, n) -> acc + n);
        System.out.println(sum); // 45
    }
}

BinaryOperator接口对象

reduce()方法传入的对象是BinaryOperator接口，它定义了一个apply()方法，负责把上次累加的结果和本次的元素 进行运算，并返回累加的结果：

@FunctionalInterface
public interface BinaryOperator<T> {
    // Bi操作：两个输入，一个输出
    T apply(T t, T u);
}

用for循环改写一下：

Stream<Integer> stream = ...
int sum = 0;
for (n : stream) {
    sum = (sum, n) -> sum + n;
}

例子：用reduce求乘积

import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int s = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).reduce(1, (acc, n) -> acc * n);
        System.out.println(s); // 362880
    }
}

对Java对象进行操作

除了可以对数值进行累积计算外，灵活运用reduce()也可以对Java对象进行操作。下面的代码演示了如何将配置文件的每一行配置通过map()和reduce()操作聚合成一个Map：（后续使用stream的输出为map集合的功能操作起来更加方便）

import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        //按行读取配置文件，读取完成后存储在list中
        List<String> props = List.of("profile=native", "debug=true", "logging=warn", "interval=500");

        //使用Stream的reduce功能
        Map<String, String> map = props.stream()
                //读取到的是每一行的字符
                .map(kv -> {
                    //先将字符串拆成等号前后两部分
                    String[] ss = kv.split("=",2);
                    //每一个（每一行）的字符串都将返回一个map
                    return Map.of(ss[0], ss[1]);
                })
                //将上面得到的多个map聚合成一个map
                .reduce(new HashMap<String, String>(), (m, kv) -> {
                    m.putAll(kv);
                    return m;
                });

        //打印转化后并且聚合后的map
        map.forEach((k, v) -> {
            System.out.println(k + " = " + v);
        });
    }

}

小结

reduce()方法将一个Stream的每个元素依次作用于BinaryOperator，并将结果合并。

reduce()是聚合方法，聚合方法会立刻对Stream进行计算。

3.5 输出集合

对Stream来说操作可以分为两类，

• 转换操作，即把一个Stream转换为另一个Stream，例如map()和filter()，
• 聚合操作，即对Stream的每个元素进行计算，得到一个确定的结果，例如reduce()。

区分这两种操作是非常重要的，因为对于Stream来说，对其进行转换操作并不会触发任何计算！

Stream通过collect()方法可以方便地输出为List、Set、Map，还可以分组输出(属于聚合操作)

输出为List

如果我们希望把Stream的元素保存到集合，例如List，因为List的元素是确定的Java对象，因此，把Stream变为List不是一个转换操作，而是一个聚合操作，它会强制Stream输出每个元素。

例子： 将一组String先过滤掉空字符串，然后把非空字符串保存到List中

import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream = Stream.of("Apple", "", null, "Pear", "  ", "Orange");
        List<String> list = stream.filter(s -> s != null && !s.isBlank())
            					  .collect(Collectors.toList());
        System.out.println(list);
    }
}

把Stream的每个元素收集到List的方法是调用collect()并传入Collectors.toList()对象，它实际上是一个Collector实例，通过类似reduce()的操作，把每个元素添加到一个收集器中（实际上是ArrayList）。

类似的，collect(Collectors.toSet())可以把Stream的每个元素收集到Set中。

输出为数组

把Stream的元素输出为数组和输出为List类似，我们只需要调用toArray()方法，并传入数组的“构造方法”：

List<String> list = List.of("Apple", "Banana", "Orange");
String[] array = list.stream().toArray(String[]::new);

注意到传入的“构造方法”是String[]::new，它的签名实际上是IntFunction定义的String[] apply(int)，即传入int参数，获得String[]数组的返回值。

输出为Map

如果我们要把Stream的元素收集到Map中，就稍微麻烦一点。因为对于每个元素，添加到Map时需要key和value，因此，我们要指定两个映射函数，分别把元素映射为key和value：

import java.util.*; 
import java.util.stream.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream = Stream.of("APPL:Apple", "MSFT:Microsoft");
        Map<String, String> map = stream
                .collect(Collectors.toMap(
                        // 把元素s映射为key:
                        s -> s.substring(0, s.indexOf(':')),
                        // 把元素s映射为value:
                        s -> s.substring(s.indexOf(':') + 1)));
        System.out.println(map);
    }
}

分组输出

Stream还有一个强大的分组功能，可以按组输出。我们看下面的例子：

import java.util.*; 
import java.util.stream.*; 

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("Apple", "Banana", "Blackberry", "Coconut", "Avocado", "Cherry", "Apricots");
        Map<String, List<String>> groups = list.stream()
                .collect(Collectors.groupingBy(s -> s.substring(0, 1), Collectors.toList()));
        System.out.println(groups);
    }
}

分组输出使用Collectors.groupingBy()，它需要提供两个函数：

• 一个是分组的key，这里使用s -> s.substring(0, 1)，表示只要首字母相同的String分到一组，
• 第二个是分组的value，这里直接使用Collectors.toList()，表示输出为List，上述代码运行结果如下：

{
    A=[Apple, Avocado, Apricots],
    B=[Banana, Blackberry],
    C=[Coconut, Cherry]
}

3.6 其他操作

排序

(是转化操作)

对Stream的元素进行排序十分简单，只需调用sorted()方法：

import java.util.*; 
import java.util.stream.*; 

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("Orange", "apple", "Banana")
            .stream()
            .sorted()
            .collect(Collectors.toList());
        System.out.println(list);
    }
}

Comparable接口

此方法要求Stream的每个元素必须实现Comparable接口。如果要自定义排序，传入指定的Comparator即可：

List<String> list = List.of("Orange", "apple", "Banana")
    .stream()
    .sorted(String::compareToIgnoreCase)
    .collect(Collectors.toList());

注意sorted()只是一个转换操作，它会返回一个新的Stream

去重

对一个Stream的元素进行去重，没必要先转换为Set，可以直接用distinct()：

List.of("A", "B", "A", "C", "B", "D")
    .stream()
    .distinct()
    .collect(Collectors.toList()); // [A, B, C, D]

截取

是转换操作

截取操作常用于把一个无限的Stream转换成有限的Stream，
skip()用于跳过当前Stream的前N个元素，
limit()用于截取当前Stream最多前N个元素：

List.of("A", "B", "C", "D", "E", "F")
    .stream()
    .skip(2) // 跳过A, B
    .limit(3) // 截取C, D, E
    .collect(Collectors.toList()); // [C, D, E]

截取操作也是一个转换操作，将返回新的Stream。

合并

将两个Stream合并为一个Stream可以使用Stream的静态方法concat()：

Stream<String> s1 = List.of("A", "B", "C").stream();
Stream<String> s2 = List.of("D", "E").stream();
// 合并:
Stream<String> s = Stream.concat(s1, s2);
System.out.println(s.collect(Collectors.toList())); // [A, B, C, D, E]

flatMap

指把Stream的每个元素（这里是List）映射为Stream，然后合并成一个新的Stream：

例子：如果Stream的元素是集合：

Stream<List<Integer>> s = Stream.of(
        Arrays.asList(1, 2, 3),
        Arrays.asList(4, 5, 6),
        Arrays.asList(7, 8, 9));

而我们希望把上述Stream转换为Stream，就可以使用flatMap()：

Stream<Integer> i = s.flatMap(list -> list.stream());

并行

通常情况下，对Stream的元素进行处理是单线程的，即一个一个元素进行处理。但是很多时候，我们希望可以并行处理Stream的元素，因为在元素数量非常大的情况，并行处理可以大大加快处理速度。

把一个普通Stream转换为可以并行处理的Stream非常简单，只需要用parallel()进行转换：

Stream<String> s = ...
String[] result = s.parallel() // 变成一个可以并行处理的Stream
                   .sorted() // 可以进行并行排序
                   .toArray(String[]::new);

其他聚合方法

测试Stream的元素是否满足以下条件：

• boolean allMatch(Predicate)：测试是否所有元素均满足测试条件；
• boolean anyMatch(Predicate)：测试是否至少有一个元素满足测试条件。

最后一个常用的方法是forEach()，它可以循环处理Stream的每个元素，我们经常传入System.out::println来打印Stream的元素：

Stream<String> s = ...
s.forEach(str -> {
    System.out.println("Hello, " + str);
});

小结

Stream提供的常用操作有：

转换操作：

• map()，给定规则转换
• filter()，给定规则过滤
• sorted()，排序
• distinct()；去重

聚合操作：

• reduce()，聚合
• collect()，输出集合
• count()，元素计数
• max()，找出最大元素
• min()，找出最小元素
• sum()，针对IntStream、LongStream和DoubleStream元素求和
• average()，针对IntStream、LongStream和DoubleStream元素求平均

合并操作：concat()，flatMap()；

并行处理：parallel()；

其他操作：allMatch(), anyMatch(), forEach()。