Java 8 Lambda表达式.docx

1、Java 8 Lambda表达式深入学习Java 8 Lambda（语言篇lambda表达式的深入学习）关于1. 深入理解 Java 8 Lambda（语言篇lambda，方法引用，目标类型和默认方法）2. 深入理解 Java 8 Lambda（类库篇Streams API，Collector 和并行）3. 深入理解 Java 8 Lambda（原理篇Java 编译器如何处理 lambda）本文是深入理解 Java 8 Lambda 系列的第一篇，主要介绍 Java 8 新增的语言特性（比如 lambda 和方法引用），语言概念（比如目标类型和变量捕获）以及设计思路。本文是对Brian Goe

2、tz的State of Lambda一文的翻译，那么问题来了：为什么要翻译这个系列？1. 工作之后，我开始大量使用 Java2. 公司将会在不久的未来使用 Java 83. 作为资质平庸的开发者，我需要打一点提前量，以免到时拙计4. 为了学习Java 8（主要是其中的 lambda 及相关库），我先后阅读了Oracle的官方文档，Cay Horstmann（Core Java的作者）的Java 8 for the Really Impatient和Richard Warburton的Java 8 Lambdas5. 但我感到并没有多大收获，Oracle的官方文档涉及了 lambda 表达式的每

3、一个概念，但都是点到辄止；后两本书（尤其是Java 8 Lambdas）花了大量篇幅介绍 Java lambda 及其类库，但实质内容不多，读完了还是没有对Java lambda产生一个清晰的认识6. 关键在于这些文章和书都没有解决我对Java lambda的困惑，比如： Java 8 中的 lambda 为什么要设计成这样？（为什么要一个 lambda 对应一个接口？而不是 Structural Typing？） lambda 和匿名类型的关系是什么？lambda 是匿名对象的语法糖吗？ Java 8 是如何对 lambda 进行类型推导的？它的类型推导做到了什么程度？ Java 8 为什么

4、要引入默认方法？ Java 编译器如何处理 lambda？ 等等7. 之后我在 Google 搜索这些问题，然后就找到Brian Goetz的三篇关于Java lambda的文章（State of Lambda，State of Lambda libraries version和Translation of lambda），读完之后上面的问题都得到了解决8. 为了加深理解，我决定翻译这一系列文章警告（Caveats）如果你不知道什么是函数式编程，或者不了解map，filter，reduce这些常用的高阶函数，那么你不适合阅读本文，请先学习函数式编程基础（比如这本书）。State of Lamb

5、dabyBrian GoetzThe high-level goal of Project Lambda is to enable programming patterns that require modeling code as data to be convenient and idiomatic in Java.关于本文介绍了 Java SE 8 中新引入的 lambda 语言特性以及这些特性背后的设计思想。这些特性包括：o lambda 表达式（又被成为“闭包”或“匿名方法”）o 方法引用和构造方法引用o 扩展的目标类型和类型推导o 接口中的默认方法和静态方法1. 背景Java 是一

6、门面向对象编程语言。面向对象编程语言和函数式编程语言中的基本元素（Basic Values）都可以动态封装程序行为：面向对象编程语言使用带有方法的对象封装行为，函数式编程语言使用函数封装行为。但这个相同点并不明显，因为Java 对象往往比较“重量级”：实例化一个类型往往会涉及不同的类，并需要初始化类里的字段和方法。不过有些 Java 对象只是对单个函数的封装。例如下面这个典型用例：Java API 中定义了一个接口（一般被称为回调接口），用户通过提供这个接口的实例来传入指定行为，例如：123publicinterfaceActionListener voidactionPerformed(Ac

7、tionEvent e);这里并不需要专门定义一个类来实现ActionListener，因为它只会在调用处被使用一次。用户一般会使用匿名类型把行为内联（inline）：12345button.addActionListener(new ActionListener() publicvoidactionPerformed(ActionEvent e) ui.dazzle(e.getModifiers(); );很多库都依赖于上面的模式。对于并行 API 更是如此，因为我们需要把待执行的代码提供给并行 API，并行编程是一个非常值得研究的领域，因为在这里摩尔定律得到了重生：尽管我们没有更快的 CP

8、U 核心（core），但是我们有更多的 CPU 核心。而串行 API 就只能使用有限的计算能力。随着回调模式和函数式编程风格的日益流行，我们需要在Java中提供一种尽可能轻量级的将代码封装为数据（Model code as data）的方法。匿名内部类并不是一个好的选择，因为：1. 语法过于冗余2. 匿名类中的this和变量名容易使人产生误解3. 类型载入和实例创建语义不够灵活4. 无法捕获非final的局部变量5. 无法对控制流进行抽象上面的多数问题均在Java SE 8中得以解决：o 通过提供更简洁的语法和局部作用域规则，Java SE 8 彻底解决了问题 1 和问题 2o 通过提供更加灵

9、活而且便于优化的表达式语义，Java SE 8 绕开了问题 3o 通过允许编译器推断变量的“常量性”（finality），Java SE 8 减轻了问题 4 带来的困扰不过，Java SE 8 的目标并非解决所有上述问题。因此捕获可变变量（问题 4）和非局部控制流（问题 5）并不在 Java SE 8的范畴之内。（尽管我们可能会在未来提供对这些特性的支持）2. 函数式接口（Functional interfaces）尽管匿名内部类有着种种限制和问题，但是它有一个良好的特性，它和Java类型系统结合的十分紧密：每一个函数对象都对应一个接口类型。之所以说这个特性是良好的，是因为：o 接口是 Jav

10、a 类型系统的一部分o 接口天然就拥有其运行时表示（Runtime representation）o 接口可以通过 Javadoc 注释来表达一些非正式的协定（contract），例如，通过注释说明该操作应可交换（commutative）上面提到的ActionListener接口只有一个方法，大多数回调接口都拥有这个特征：比如Runnable接口和Comparator接口。我们把这些只拥有一个方法的接口称为函数式接口。（之前它们被称为SAM类型，即单抽象方法类型（Single Abstract Method）我们并不需要额外的工作来声明一个接口是函数式接口：编译器会根据接口的结构自行判断（判断

11、过程并非简单的对接口方法计数：一个接口可能冗余的定义了一个Object已经提供的方法，比如toString()，或者定义了静态方法或默认方法，这些都不属于函数式接口方法的范畴）。不过API作者们可以通过FunctionalInterface注解来显式指定一个接口是函数式接口（以避免无意声明了一个符合函数式标准的接口），加上这个注解之后，编译器就会验证该接口是否满足函数式接口的要求。实现函数式类型的另一种方式是引入一个全新的结构化函数类型，我们也称其为“箭头”类型。例如，一个接收String和Object并返回int的函数类型可以被表示为(String, Object) - int。我们仔细考虑

12、了这个方式，但出于下面的原因，最终将其否定：o 它会为Java类型系统引入额外的复杂度，并带来结构类型（Structural Type）和指名类型（Nominal Type）的混用。（Java 几乎全部使用指名类型）o 它会导致类库风格的分歧一些类库会继续使用回调接口，而另一些类库会使用结构化函数类型o 它的语法会变得十分笨拙，尤其在包含受检异常（checked exception）之后o 每个函数类型很难拥有其运行时表示，这意味着开发者会受到类型擦除（erasure）的困扰和局限。比如说，我们无法对方法m(T-U)和m(X-Y)进行重载（Overload）所以我们选择了“使用已知类型”这条路

13、因为现有的类库大量使用了函数式接口，通过沿用这种模式，我们使得现有类库能够直接使用 lambda 表达式。例如下面是 Java SE 7 中已经存在的函数式接口：o java.lang.Runnableo java.util.concurrent.Callableo java.security.PrivilegedActiono java.util.Comparatoro java.io.FileFiltero java.beans.PropertyChangeListener除此之外，Java SE 8中增加了一个新的包：java.util.function，它里面包含了常用的函数式接口，例

14、如：o Predicate接收T并返回booleano Consumer接收T，不返回值o Function接收T，返回Ro Supplier提供T对象（例如工厂），不接收值o UnaryOperator接收T对象，返回To BinaryOperator接收两个T，返回T除了上面的这些基本的函数式接口，我们还提供了一些针对原始类型（Primitive type）的特化（Specialization）函数式接口，例如IntSupplier和LongBinaryOperator。（我们只为int、long和double提供了特化函数式接口，如果需要使用其它原始类型则需要进行类型转换）同样的我们也提

15、供了一些针对多个参数的函数式接口，例如BiFunction，它接收T对象和U对象，返回R对象。3. lambda表达式（lambda expressions）匿名类型最大的问题就在于其冗余的语法。有人戏称匿名类型导致了“高度问题”（height problem）：比如前面ActionListener的例子里的五行代码中仅有一行在做实际工作。lambda表达式是匿名方法，它提供了轻量级的语法，从而解决了匿名内部类带来的“高度问题”。下面是一些lambda表达式：123(int x, int y) - x + y() -42(String s) - System.out.println(s); 第

16、一个 lambda 表达式接收x和y这两个整形参数并返回它们的和；第二个 lambda 表达式不接收参数，返回整数 42；第三个 lambda 表达式接收一个字符串并把它打印到控制台，不返回值。lambda 表达式的语法由参数列表、箭头符号-和函数体组成。函数体既可以是一个表达式，也可以是一个语句块：o 表达式：表达式会被执行然后返回执行结果。o 语句块：语句块中的语句会被依次执行，就像方法中的语句一样 return语句会把控制权交给匿名方法的调用者 break和continue只能在循环中使用 如果函数体有返回值，那么函数体内部的每一条路径都必须返回值表达式函数体适合小型 lambda 表达

17、式，它消除了return关键字，使得语法更加简洁。lambda 表达式也会经常出现在嵌套环境中，比如说作为方法的参数。为了使 lambda 表达式在这些场景下尽可能简洁，我们去除了不必要的分隔符。不过在某些情况下我们也可以把它分为多行，然后用括号包起来，就像其它普通表达式一样。下面是一些出现在语句中的 lambda 表达式：12345678FileFilter java = (File f) - f.getName().endsWith(*.java);String user = doPrivileged() - System.getProperty(user.name);new Thread

18、() - connectToService(); sendNotification();).start();4. 目标类型（Target typing）需要注意的是，函数式接口的名称并不是 lambda 表达式的一部分。那么问题来了，对于给定的 lambda 表达式，它的类型是什么？答案是：它的类型是由其上下文推导而来。例如，下面代码中的 lambda 表达式类型是ActionListener：1ActionListener l = (ActionEvent e) - ui.dazzle(e.getModifiers();这就意味着同样的 lambda 表达式在不同上下文里可以拥有不同的类型：

19、123Callable c = () -done;PrivilegedAction a = () -done;第一个 lambda 表达式() -done是Callable的实例，而第二个 lambda 表达式则是PrivilegedAction的实例。编译器负责推导 lambda 表达式类型。它利用 lambda 表达式所在上下文所期待的类型进行推导，这个被期待的类型被称为目标类型。lambda 表达式只能出现在目标类型为函数式接口的上下文中。当然，lambda 表达式对目标类型也是有要求的。编译器会检查 lambda 表达式的类型和目标类型的方法签名（method signature）是否

20、一致。当且仅当下面所有条件均满足时，lambda 表达式才可以被赋给目标类型T：o T是一个函数式接口o lambda 表达式的参数和T的方法参数在数量和类型上一一对应o lambda 表达式的返回值和T的方法返回值相兼容（Compatible）o lambda 表达式内所抛出的异常和T的方法throws类型相兼容由于目标类型（函数式接口）已经“知道” lambda 表达式的形式参数（Formal parameter）类型，所以我们没有必要把已知类型再重复一遍。也就是说，lambda 表达式的参数类型可以从目标类型中得出：1Comparator c = (s1, s2) - pareToIgn

21、oreCase(s2);在上面的例子里，编译器可以推导出s1和s2的类型是String。此外，当 lambda 的参数只有一个而且它的类型可以被推导得知时，该参数列表外面的括号可以被省略：123FileFilter java = f - f.getName().endsWith(.java);button.addActionListener(e - ui.dazzle(e.getModifiers();这些改进进一步展示了我们的设计目标：“不要把高度问题转化成宽度问题。”我们希望语法元素能够尽可能的少，以便代码的读者能够直达 lambda 表达式的核心部分。lambda 表达式并不是第一个拥有

22、上下文相关类型的 Java 表达式：泛型方法调用和“菱形”构造器调用也通过目标类型来进行类型推导：12345List ls = Collections.emptyList();List li = Collections.emptyList();Map m1 = new HashMap();Map m2 = new HashMap();5. 目标类型的上下文（Contexts for target typing）之前我们提到 lambda 表达式智能出现在拥有目标类型的上下文中。下面给出了这些带有目标类型的上下文：o 变量声明o 赋值o 返回语句o 数组初始化器o 方法和构造方法的参数o lam

23、bda 表达式函数体o 条件表达式（? :）o 转型（Cast）表达式在前三个上下文（变量声明、赋值和返回语句）里，目标类型即是被赋值或被返回的类型：12345678Comparator c;c = (String s1, String s2) - pareToIgnoreCase(s2);public Runnable toDoLater()return () - System.out.println(later); 数组初始化器和赋值类似，只是这里的“变量”变成了数组元素，而类型是从数组类型中推导得知：1234filterFiles(new FileFilter f - f.exists(

24、), f - f.canRead(), f - f.getName().startsWith(q) );方法参数的类型推导要相对复杂些：目标类型的确认会涉及到其它两个语言特性：重载解析（Overload resolution）和参数类型推导（Type argument inference）。重载解析会为一个给定的方法调用（method invocation）寻找最合适的方法声明（method declaration）。由于不同的声明具有不同的签名，当 lambda 表达式作为方法参数时，重载解析就会影响到 lambda 表达式的目标类型。编译器会通过它所得之的信息来做出决定。如果 lambda

25、 表达式具有显式类型（参数类型被显式指定），编译器就可以直接 使用lambda 表达式的返回类型；如果lambda表达式具有隐式类型（参数类型被推导而知），重载解析则会忽略 lambda 表达式函数体而只依赖 lambda 表达式参数的数量。如果在解析方法声明时存在二义性（ambiguous），我们就需要利用转型（cast）或显式 lambda 表达式来提供更多的类型信息。如果 lambda 表达式的返回类型依赖于其参数的类型，那么 lambda 表达式函数体有可能可以给编译器提供额外的信息，以便其推导参数类型。12List ps = .Stream names = ps.stream().m

26、ap(p - p.getName();在上面的代码中，ps的类型是List，所以ps.stream()的返回类型是Stream。map()方法接收一个类型为Function的函数式接口，这里T的类型即是Stream元素的类型，也就是Person，而R的类型未知。由于在重载解析之后 lambda 表达式的目标类型仍然未知，我们就需要推导R的类型：通过对 lambda 表达式函数体进行类型检查，我们发现函数体返回String，因此R的类型是String，因而map()返回Stream。绝大多数情况下编译器都能解析出正确的类型，但如果碰到无法解析的情况，我们则需要：o 使用显式 lambda 表达式

27、（为参数p提供显式类型）以提供额外的类型信息o 把 lambda 表达式转型为Functiono 为泛型参数R提供一个实际类型。（.map(p - p.getName()）lambda 表达式本身也可以为它自己的函数体提供目标类型，也就是说 lambda 表达式可以通过外部目标类型推导出其内部的返回类型，这意味着我们可以方便的编写一个返回函数的函数：1Supplier c = () - () - System.out.println(hi); ;类似的，条件表达式可以把目标类型“分发”给其子表达式：1Callable c = flag ? () -23) : () -42);最后，转型表达式（

28、Cast expression）可以显式提供 lambda 表达式的类型，这个特性在无法确认目标类型时非常有用：12/ Object o = () - System.out.println(hi); ; 这段代码是非法的Object o = (Runnable) () - System.out.println(hi); ;除此之外，当重载的方法都拥有函数式接口时，转型可以帮助解决重载解析时出现的二义性。目标类型这个概念不仅仅适用于 lambda 表达式，泛型方法调用和“菱形”构造方法调用也可以从目标类型中受益，下面的代码在 Java SE 7 是非法的，但在 Java SE 8 中是合法的：1

29、23List ls = Collections.checkedList(new ArrayList(), String.class);Set si = flag ? Collections.singleton(23) : Collections.emptySet();6. 词法作用域（Lexical scoping）在内部类中使用变量名（以及this）非常容易出错。内部类中通过继承得到的成员（包括来自Object的方法）可能会把外部类的成员掩盖（shadow），此外未限定（unqualified）的this引用会指向内部类自己而非外部类。相对于内部类，lambda 表达式的语义就十分简单：它不会从超类（supertype）中继承任何变量名，也不会引入一个新的作用域。lambda 表达式基于词法作用域，也就是说 lambda 表达式函数体里面的变量和它外部环境的变量具有相同的语义（也包括 lambda 表达式的形式参数）。此外，this 关键字及其引用在 lambda 表达式内部和外部也拥有相同的语义。为了进一步说明词法作用域的优点，请参考下面的代码，它会把Hello, world!打印两遍：123456789101