Java 函数式编程（Lambda表达式）与Stream API

1 函数式编程

函数式编程（Functional Programming）是编程范式的一种。最常见的编程范式是命令式编程（Impera Programming），比如面向过程、面向对象编程都属于命令式编程，大家用得最多、最熟悉。函数式编程并非近几年的新技术或新思维，其诞生已有50多年时间。

在函数式编程里面，一切都是数学函数。当然，函数式编程语言里也可以有对象，但这些对象是不可变的——要么是函数参数要么是返回值。函数式编程语言里没有for等循环，而是通过递归、把函数当成参数传递的方式实现循环效果。

简而言之，函数式编程的特点：一切皆函数（称算子？）、一切数据皆不可变，一切计算都是函数作用在不可变数据上产生新不可变数据的过程。

注：Java 8的主要变化

• lambda表达式
• 方法引用
• 接口默认方法
• Stream
• 用Optional取代null
• 新的日志和时间：推荐用Instance代替Date、用LocalDateTime代替Calendar、用DateTimeFormatter代替SimpleDateFormat
• CompletableFuture
• 去除了永久代（PermGen） 被元空间（Metaspace）代替

2 Java 8函数式编程（Lambda表达式）

Java 8开始支持函数式编程，其是通过Lambda表达式语法来支持的。

Java SE 8 adds a relatively small number of new language features -- lambda expressions, method references, default and static methods in interfaces, and more widespread use of type inference

2.1 Lambda表达式

Lambda表达式可以看成是对 特定接口的匿名实现类语法 的简写（只是语法上看如是，它们在JVM层面是有明显区别的，见后文），这里的“特定接口”是指函数式接口，若不是函数式接口则传参时若使用Lambda表达式编译器会报错。示例：

new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
    }
});//通过匿名内部类创建Runnable接口实现类作为Thread的参数

new Thread(() -> {
});//通过Labmda表达式创建Thread的参数

Comparator<String> c = (s1, s2) -> s1.compareToIgnoreCase(s2);
Comparator<String> c = (String s1, String s2) -> s1.compareToIgnoreCase(s2);
FileFilter java = f -> f.getName().endsWith(".java");
button.addActionListener(e -> ui.dazzle(e.getModifiers()));
Supplier<Runnable> c = () -> () -> { System.out.println("hi"); };
Callable<Integer> c = flag ? (() -> 23) : (() -> 42);

Lambda表达式代替匿名内部类作为函数的参数时，相当于向函数传递了个算子。与匿名内部类相比，Lambda表达式省略了方法名、方法的参数类型有无均可，当然最好不要写类型以由编译器自动推断从而提高灵活性。

2.2 函数式接口

函数式接口：接口中抽象方法有且只有一个 的接口。注：由于java中Object是任意类或接口的父类，故该抽象方法签名不能与Object中的方法一样；接口中可有非抽象方法，如default、static method等；可以在接口上加@FunctionalInterface，此时编译器会检查接口是否符合函数式接口规范。示例：

    @FunctionalInterface
    public interface CallBack {
        public String run();// 须有且只有一个抽象方法
//        public String toString();//不允许，抽象方法不能与Object中的方法的signature一样

        default String getName() {// 允许有default方法
            return "zhangsan";
        }

        public static String getVersion() {// 允许有static方法
            return "1";
        }
    }

Java 8中定义了一组常用的函数式接口（java.util.function包下）：

函数接口	抽象方法	功能	示例
Predicate	boolean test(T t)	判断真假	身高大于177cm？
Consumer	void accept(T t)	消费消息
Supplier	T get()	生产消息
Function	R apply(T t)	将T类型值转换成R类型值	根据student对象获取名字
BiFunction	R apply(T t, U u)	将T、U类型值转成R类型值	两个数乘积
UnaryOperator	T apply(T t)	一元操作	逻辑非（!）
BinaryOperator	T apply(T t, T u)	将两个T类型值转换成R类型值，BiFunction的特例

除了上述几种函数式接口外，还提供了int、long、double的primitive specializations，如IntSupplier、LongBinaryOperator、LongToDoubleFunction等。其他primitive types的可以转换为这三个primitive types的。

这些函数式接口结合Java 8中引入的Stream一起使用能够可以很大程度提高开发者的编码效率。 

Lambda表达式和匿名内部类的区别：

匿名内部类编译后编译器会为匿名类也单独生成class文件，lambda表达式则不会。=> lambda表达式中的this的意义跟在表达式外的一样。示例：

public class Hello {
  Runnable r1 = () -> { System.out.println(this); }
  Runnable r2 = () -> { System.out.println(toString()); }

  public String toString() { return "Hello, world!"; }

  public static void main(String... args) {
    new Hello().r1.run();
    new Hello().r2.run();
  }
}
//结果：输出两个“Hello, world!”
//若r1、r2用匿名内部类，则输出的两个结果不同，类似于：Hello$1@5b89a773 and Hello$2@537a7706

关于Lambda表达式，推荐参阅：Lambda-State-final

2.3 方法引用

若lambda表达式仅仅是调用某个方法，则可以写成方法引用，这种情况下使得方法引用代码更简洁易读。示例：

list.forEach(new Consumer() {
    @Override
    public void accept(Object s) {
        System.out.println(s);
    }
});//1 匿名内部类
list.forEach(s->System.out.println(s));//2 lambda表达式
list.forEach(System.out::println);//3 方法引用

方法引用有很多种，语法如下：

• 静态方法引用：ClassName::methodName
• 实例上的实例方法引用：instanceReference::methodName
• 父类的实例方法引用：super::methodName
• 类型上的实例方法引用：ClassName::methodName
• 构造方法引用：Class::new
• 数组构造方法引用：TypeName[]::new

3 Java 8 Stream

Java 8的interface引入了default method，以对集合框架Collection进行了扩展（从而其继承者如List、Set、Map也扩展了）：增加了很多default method以支持Stream及Lambda表达式操作。

3.1 what

Java 8 API添加了新的抽象Stream（这里的Stream不是IO中的流），可以让我们以声明的方式处理数据。这种风格将要处理的元素集合看作一种流，流在管道中传输，并且可以在管道的节点上进行处理，如筛选、排序、聚合等。元素流在管道中经过中间操作（intermediate operation）的处理，最后由终止操作(terminal operation)得到前面处理的结果。

示例：

List<String>strings = Arrays.asList("abc", "", "bc", "efg", "abcd","", "jkl");
// 获取空字符串的数量
long count = strings.stream().filter(string -> string.isEmpty()).count();

Stream并不是某种数据结构，它更像是数据源（数据源可以是一个数组，Java容器或I/O channel等）的一种迭代器（Iterator），单向、不可重复、数据源只能遍历一次。要得到一个Stream通常不会手动创建，而是调用对应的工具方法，如：list1.stream()、list1.parallelStream()、Arrays.stream(T[] array)

3.2 Stream的特点

无存储：stream不是一种数据结构，它只是某种数据源的一个视图，数据源可以是一个数组，Java容器或I/O channel等，且可以是无限的。

无状态（为函数式编程而生）：对stream的任何修改都不会修改背后的数据源，比如对stream执行过滤操作并不会删除被过滤的元素，而是会产生一个不包含被过滤元素的新stream。

惰式执行：stream上的操作并不会立即执行，只有等到用户真正需要结果的时候才会执行。

可消费性：stream只能被“消费”一次，一旦遍历过就会失效，就像容器的迭代器那样，想要再次遍历必须重新生成stream。

3.3 stream使用

对stream的操作分为两类，中间操作(intermediate operations)和终止操作(terminal operations)：

中间操作总是会惰式执行，调用中间操作只会生成一个标记了该操作的新stream，仅此而已。

结束操作会触发实际计算，计算发生时会把所有中间操作积攒的操作以pipeline的方式执行，这样可以减少迭代次数。计算完成之后stream就会失效。

Stream“以声明的方式处理数据”，其提供了一系列操作，主要有：

forEach

distinct、filter、sorted

map、flatMap

reduce（虽也提供了max、min、count、sum，但这些均可由reduce实现等价效果）

collect，收集器，方法声明为 <R> R collect(Supplier<R> supplier, BiConsumer<R,? super T> accumulator, BiConsumer<R,R> combiner) ，三个参数分别指定目标容器是什么、元素如何产生、若是并行执行则多个结果如何合并。

实际用得更多的是只有一个Collector参数的collect方法，java.util.stream.Collectors工具类封装了生成大多数常用Collector的静态方法。如：

joining

summingDouble

生成列表：

toList、toSet：返回的集合类型为接口，具体类型由库决定

toCollection(ArrayList::new)：返回的集合具体类型自己指定

生成map：

partitioningBy //只能分为两组，key为Boolean类型

groupingBy //可分为多组，类似于SQL中的group by操作

toMap

在使用时，就是通过为这些操作指定Lambda表达式（亦可称算子或函数？）来指定操作逻辑的。示例：

//reduce
Integer reduce = Stream.of(1, 2, 3, 4).reduce(0, (acc, x) -> acc+ 1);//相当于count

//map
List<Student> students = new ArrayList<>(3);
students.add(new Student("路飞", 22, 175));
students.add(new Student("红发", 40, 180));
students.add(new Student("白胡子", 50, 185));
List<String> names = students.stream().map(student -> student.getName()).collect(Collectors.toList());

//flateMap
List<Student> students = new ArrayList<>(3);
        students.add(new Student("路飞", 22, 175));
        students.add(new Student("红发", 40, 180));
        students.add(new Student("白胡子", 50, 185));
        List<Student> studentList = Stream.of(students,
                asList(new Student("艾斯", 25, 183),
                        new Student("雷利", 48, 176)))
                .flatMap(students1 -> students1.stream()).collect(Collectors.toList());


//toSet
Set<String> set = stream.collect(Collectors.toSet()); // (2)

//toCollection
HashSet<String> hashSet = stream.collect(Collectors.toCollection(HashSet::new));// (4)

//toMap
// 使用toMap()统计学生GPA
Map<Student, Double> studentToGPA =
   students.stream().collect(Collectors.toMap(Function.identity(),// 如何生成key
                                     student -> computeGPA(student)));// 如何生成value

//partitioningBy
Map<Boolean, List<Student>> passingFailing = students.stream()
         .collect(Collectors.partitioningBy(s -> s.getGrade() >= PASS_THRESHOLD));

//groupingBy
Map<Department, List<Employee>> byDept = employees.stream()
            .collect(Collectors.groupingBy(Employee::getDepartment));
            
Map<Department, Integer> totalByDept = employees.stream()// 使用下游收集器统计每个部门的人数
                    .collect(Collectors.groupingBy(Employee::getDepartment,
                                                   Collectors.counting()));// 下游收集器

Map<Department, List<String>> byDept = employees.stream()// 按照部门对员工分布组，并只保留员工的名字
                .collect(Collectors.groupingBy(Employee::getDepartment,
                        Collectors.mapping(Employee::getName,// 下游收集器
                                Collectors.toList())));// 更下游的收集器

//joining
List<Student> students = new ArrayList<>(3);
students.add(new Student("路飞", 22, 175));
students.add(new Student("红发", 40, 180));
students.add(new Student("白胡子", 50, 185));

    String names = students.stream()
        .map(Student::getName).collect(Collectors.joining(",","[","]"));

3.4 Stream工作流执行原理（stream-pipeline）

参阅：https://objcoding.com/2019/03/04/lambda/#stream-pipelines 

3.5 parallel Stream

java并行API演变：

• 1.0-1.4 中的 java.lang.Thread
• 5.0 中的 java.util.concurrent
• 6.0 中的 Phasers 等
• 7.0 中的 Fork/Join 框架
• 8.0 中的 parallelStream

parallelStream是java 8引入的，用于并行操作。其内部用了Fork/Join框架。

适用场景：CPU密集型

为何可比普通的多线程或线程池快：使用Fork/Join框架（ForkJoinPool.commonPool()），ForkJoinPool会自动将大任务拆解成无交集的子任务给不同线程并行执行，最后汇集结果。与线程池不同的是，还采取了工作窃取（work-stealing）算法，当有线程完成计算任务时会从其他线程的任务队列取任务来执行，从而整体上提高执行效率。

优点：代码简介，执行效率高；缺点：黑箱、不好跟踪调试

使用：尽可能用Stream API，多核情况下尽可能用parallelStream

参阅：

parallelStream原理：https://github.com/CarpenterLee/JavaLambdaInternals/blob/master/7-ParallelStream.md

Stream API性能测试：https://github.com/CarpenterLee/JavaLambdaInternals/blob/master/8-Stream%20Performance.md

4 参考资料

使用：https://www.cnblogs.com/snowInPluto/p/5981400.html、http://www.jiangxinlingdu.com/thought/2019/09/06/jdk8s.html 

原理：https://objcoding.com/2019/03/04/lambda/