Java中的函数式编程（二）函数式接口Functional Interface
写在前面
前面说过，判断一门语言是否支持函数式编程，一个重要的判断标准就是：它是否将函数看做是“第一等公民（first-class citizens）”。
函数是“第一等公民”，意味着函数和其它数据类型具备同等的地位——可以赋值给某个变量，可以作为另一个函数的参数，也可以作为另一个函数的返回值。
Java 8是通过函数式接口，赋予了函数“第一等公民”的特性。
本文将详细介绍Java 8中的函数式接口。
本文的示例代码可从gitee上获取：javafp: Java函数式编程的示例代码
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函数式接口
什么是函数式接口（function interface）？只有一个抽象方法的接口都属于函数式接口。
按照规范，我们强烈建议在定义函数式接口时，加上注解 @FunctionalInterface，这样在编译阶段就可以判断该接口是否符合函数式接口的规范。当然，也可以不加注解 @FunctionalInterface，这并不影响函数式接口的定义和使用。
以下是一个典型的函数式接口 Consumer：
// 强烈建议加上注解 @FunctionalInterface
@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {
// 唯一的抽象方法
void accept(T t);
// 可以有多个非抽象方法（默认方法）
default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
Objects.requireNonNull(after);
return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
}
}
函数式接口本质是一个接口（interface），所以我们可以通过一个具体的类（包括匿名类）来实现一个函数式接口。但与普通接口不同，函数式接口的实现还可以是一个lambda表达式，甚至可以是一个方法引用（method reference）。
下面，我们逐一介绍JDK中内置的一些典型的函数式接口。
Java 8中内置的函数式接口
Java 8新增的内置函数式接口都在包 java.util.function 中定义，主要包括：
1. Functions
Function
在代码世界，最为常见的一种函数式接口是接收一个参数值，然后返回一个响应值。JDK提供了一个标准的泛型函数式接口 Function:
@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
/**
* 给定一个类型为 T 的参数 t ，返回一个类型为 R 的响应值。
*
* @param t 函数参数
* @return 执行结果
*/
R apply(T t);
...
}
Function的一个经典应用场景是Map的computeIfAbsent函数。
public V computeIfAbsent(K key,
Function<? super K, ? extends V> mappingFunction);
computeIfAbsent函数会先判断对应key在map中是否存在，如果key不存在，则通过参数 mappingFunction 来计算得出一个value，并将这个键值对写入到map中，并返回计算出来的value。如果key已存在，则返回map中key对应的value。
假设一个应用场景，我们要构建一个HashMap，key是某个单词，value是单词的字母长度。实例代码如下：
public static void testFunctionWithLambda() {
// 构建一个HashMap，key是某个单词，value是单词的字母长度
Map<String, Integer> wordMap = new HashMap<>();
Integer wordLen = wordMap.computeIfAbsent("hello", s -> s.length());
System.out.println(wordLen);
System.out.println(wordMap);
}
上面的实例会输出：
5
{hello=5}
注意到代码片段“s -> s.length()”，这是一个典型的lambda表达式，含义等同于函数：
public static int getStringLength(String s) {
return s.length();
}
更详尽具体的lambda表达式的介绍可以参考随后的系列文章。
之前提到过，函数式接口也可以通过一个方法引用（method reference）来实现。实例代码如下：
public static void testFunctionWithMethodReference() {
Map<String, Integer> wordMap = new HashMap<>();
Integer wordLen = wordMap.computeIfAbsent("hello", String::length);
System.out.println(wordLen);
System.out.println(wordMap);
}
注意到方法引用“String::length”，Java 8允许我们将一个实例方法转化成一个函数式接口的实现。 它的含义和 lambda 表达式 “s -> s.length()” 是相同的。
更详尽具体的方法引用的介绍可以参考随后的系列文章。
BiFunction
Function 限制了只能有一个参数，但两个参数的情形也非常常见，所以就有了BiFunction，它接收两个参数值，然后返回一个响应值。
@FunctionalInterface
public interface BiFunction<T, U, R> {
/**
* 给定类型分别为 T 的参数 t 和 类型为 U 的参数 u，返回一个类型为 R 的响应值。
*
* @param t 第一个参数
* @param u 第二个参数
* @return 执行结果
*/
R apply(T t, U u);
...
}
Function的一个经典应用场景是Map的replaceAll函数。
public void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function)
Map的replaceAll函数，会遍历Map中的所有Entry，通过BiFunction类型的参数 function 计算出一个新值，然后用新值替换旧值。
假设一个应用场景，我们使用一个HashMap，记录了一些单词和它们的长度，接着产品经理提了一个新需求，要求对某些指定的单词，长度统一记录为0。实例代码如下：
public static void testBiFunctionWithLambda() {
Map<String, Integer> wordMap = new HashMap<>();
wordMap.put("hello", 5);
wordMap.put("world", 5);
wordMap.put("on", 2);
wordMap.put("at", 2);
// lambda表达式中的k和v，分别是Map中Entry的key和原值value。
// lambda表达式的返回值是一个新值value。
wordMap.replaceAll((k, v) -> {
if ("on".equals(k) || "at".equals(k)) {
// 对应单词 on 和 at，单词长度统一记录为 0
return 0;
} else {
// 其它单词，单词长度保持原值
return v;
}
});
System.out.println(wordMap);
}
上述代码的输出为：
{world=5, at=0, hello=5, on=0}
2. Supplier
除了Function和BiFunction，还有一种常见的函数式接口是不需要任何参数，直接返回一个响应值。这就是Supplier：
@FunctionalInterface
public interface Supplier<T> {
/**
* 获取一个类型为 T 的对象实例。
*
* @return 对象实例
*/
T get();
}
Supplier的一个典型应用场景是快速实现了工厂类的生产方法，包括延时的或者异步的生产方法。实例代码如下：
public class SupplierExample {
public static void main(String[] args) {
testSupplierWithLambda();
}
public static void testSupplierWithLambda() {
final Random random = new Random();
// 生成一个随机整数
lazyPrint(() -> {
return random.nextInt(100);
});
// 延时3秒，生成一个随机整数
lazyPrint(() -> {
try {
System.out.println("waiting for 3s...");
Thread.sleep(3*1000);
} catch (InterruptedException e) {
// do nothing
}
return random.nextInt(100);
});
}
public static void lazyPrint(Supplier<Integer> lazyValue) {
System.out.println(lazyValue.get());
}
}
上述代码输出类似：
26
waiting for 3s…
27
3. Consumers
如果说Supplier属于生产者，那与之相对的是消费者Consumer。
Consumer
与Supplier相反，Consumer 接收一个参数，而不返回任何值。
@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {
/**
* 对给定的单一参数执行相关操作。
*
* @param t 输入参数
*/
void accept(T t);
...
}
示例代码：
public static void testConsumer() {
List<String> list = Arrays.asList("Guangdong", "Zhejiang", "Jiangsu");
// 消费 list 中的每一个元素
list.forEach(s -> System.out.println(s));
}
上述代码的输出为：
Guangdong
Zhejiang
Jiangsu
BiConsumer
还有BiConsumer，语义和Consumer一致，不同的是BiConsumer接收2个参数。
@FunctionalInterface
public interface BiConsumer<T, U> {
/**
* 对给定的2个参数执行相关操作。
*
* @param t 第一个参数
* @param u 第二个参数
*/
void accept(T t, U u);
...
}
示例代码：
public static void testBiConsumer() {
Map<String, String> cityMap = new HashMap<>();
cityMap.put("Guangdong", "Guangzhou");
cityMap.put("Zhejiang", "Hangzhou");
cityMap.put("Jiangsu", "Nanjing");
// 消费 map中的每一个(key, value)键值对
cityMap.forEach((key, value) -> {
System.out.println(String.format("%s 的省会是 %s", key, value));
});
}
上述代码的输出是：
Guangdong 的省会是 Guangzhou
Zhejiang 的省会是 Hangzhou
Jiangsu 的省会是 Nanjing
4. Predicate
Predicate 的含义是接收一个参数值，然后依据给定的断言条件，返回一个boolean值。它实质上一个特殊的 Function，一个指定了返回值类型为boolean的 Function。
@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
/**
* 根据给定参数，计算得到一个boolean结果。
*
* @param t 输入参数
* @return 如果参数符合断言条件，返回 true，否则返回 false
*/
boolean test(T t);
...
}
Predicate 的使用场景通常是用来作为某种过滤条件。实例代码：
public static void testPredicate() {
List<String> provinces = new ArrayList<>(Arrays.asList("Guangdong", "Jiangsu", "Guangxi", "Jiangxi", "Shandong"));
boolean removed = provinces.removeIf(s -> {
return s.startsWith("G");
});
System.out.println(removed);
System.out.println(provinces);
}
上述代码是过滤掉以字母 G 开头的省份，输出为：
true
[Jiangsu, Jiangxi, Shandong]
5. Operators
Operator 函数式接口是一种特殊的 Function，要求返回值类型和参数类型是相同的。
和 Function/BiFunction 一样，Operators 也支持1个或2个参数。
UnaryOperator
UnaryOperator 支持1个参数，UnaryOperator 等同于 Function：
@FunctionalInterface
public interface UnaryOperator<T> extends Function<T, T> { ... }
UnaryOperator的示例代码——将省份拼音转换大写与小写字母：
public static void testUnaryOperator() {
List<String> provinces = Arrays.asList("Guangdong", "Jiangsu", "Guangxi", "Jiangxi", "Shandong");
// 将省份的字母转换成大写字母
// 使用lambda表达式来实现 UnaryOperator
provinces.replaceAll(s -> s.toUpperCase());
System.out.println(provinces);
// 将省份的字母转换成小写字母。
// 使用方法引用(method reference)来实现 UnaryOperator
provinces.replaceAll(String::toLowerCase);
System.out.println(provinces);
}
上述代码输出为：
[GUANGDONG, JIANGSU, GUANGXI, JIANGXI, SHANDONG]
[guangdong, jiangsu, guangxi, jiangxi, shandong]
BinaryOperator
BinaryOperator 支持2个参数，BinaryOperator 等同于 BiFunction
@FunctionalInterface
public interface BinaryOperator<T> extends BiFunction<T, T, T> { ... }
BinaryOperator的示例代码——计算List中的所有整数的和：
public static void testBinaryOperator() {
List<Integer> values = Arrays.asList(1, 3, 5, 7, 11);
// 使用 reduce 方法进行求和：0+1+3+5+7+11 = 27
int sum = values.stream()
.reduce(0, (a, b) -> a + b);
System.out.println(sum);
}
上述代码的输出为：
27
6. Java 7及之前版本遗留的函数式接口
前面提到过函数式接口的定义：只有一个抽象方法的接口都属于函数式接口。
按照这个定义，在Java 7或之前版本中定义的一些“老”接口也属于函数式接口，包括：
Runnable、Callable、Comparator等等。
当然，这些遗留的函数式接口，在Java 8中也加上了注解 @FunctionalInterface 。
组合函数式接口
我们在第一篇提到过：函数式编程是一种编程范式（programming paradigm），追求的目标是整个程序都由函数调用以及函数组合构成的。
函数组合（function composing），指的是将一系列简单函数组合起来形成一个复合函数。
Java 8中的函数式接口也提供了函数组合的功能。大家注意观察，可以发现基本每个内置的函数式接口都有一个非抽象的方法 andThen。andThen方法的功能是将多个函数式接口组合在一起，以串行的顺序逐一执行，从而形成一个新的函数式接口。
以Consumer.andThen方法为例，它返回一个新的Consumer实例。新的Consumer实例会先执行当前的accpet方法，然后再执行 after 的accpet方法。源码片段如下：
@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {
...
default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
Objects.requireNonNull(after);
// 先执行当前Consumer的accept方法，再执行 after 的accept方法
// 特别要注意的是，accept(t) 不能写在 return 语句之前，否则accept(t)将会被提前执行
return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
}
...
}
示例代码如下：
public static void testConsumerAndThen() {
Consumer<String> printUpperCase = s -> System.out.println(s.toUpperCase());
Consumer<String> printLowerCase = s -> System.out.println(s.toLowerCase());
// 组合得到一个新的 Consumer ：先打印大写样式，再打印小写样式
Consumer<String> prints = printUpperCase.andThen(printLowerCase);
List<String> list = Arrays.asList("Guangdong", "Zhejiang", "Jiangsu");
list.forEach(prints);
}
上述代码的输出是：
GUANGDONG
guangdong
ZHEJIANG
zhejiang
JIANGSU
jiangsu
Function.andThen 方法则更复杂一些，它返回一个新的Function实例，在新的Function中，会先用类型为 T 的参数 t 执行当前的apply方法，得到一个类型为 R 的返回值 r，然后将 r 作为输入参数，继续执行 after 的apply方法，最终得到一个类型为 V 的返回值：
@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
Objects.requireNonNull(after);
// 先用类型为 T 的参数 t 执行当前的apply方法，得到一个类型为 R 的返回值 r ；
// 然后将 r 作为输入参数，继续执行 after 的apply方法，最终得到一个类型为 V 的返回值；
// 特别要注意的是，apply(t) 不能写在 return 语句之前，否则apply(t)将会被提前执行。
return (T t) -> after.apply(apply(t));
}
代码示例：
public static void testFunctionAndThen() {
// wordLen 计算单词的长度
Function<String, Integer> wordLen = s -> s.length(); // 等同于 s -> { return s.length(); }
// effectiveWord 单词长度大于等于4，才认为是有效单词
Function<Integer, Boolean> effectiveWordLen = len -> len >= 4;
// Function<String, Integer> 和 Function<Integer, Boolean>
// 组合得到一个新的 Function<String, Boolean> ，
// 像是消消乐： <String, Integer> 遇到了 <Integer, Boolean> ，
// 消去了 Integer 类型后，得到了 <String, Boolean> 。
Function<String, Boolean> effectiveWord = wordLen.andThen(effectiveWordLen);
Map<String, Boolean> wordMap = new HashMap<>();
wordMap.computeIfAbsent("hello", effectiveWord);
wordMap.computeIfAbsent("world", effectiveWord);
wordMap.computeIfAbsent("on", effectiveWord);
wordMap.computeIfAbsent("at", effectiveWord);
System.out.println(wordMap);
}
上述代码输出为：
{at=false, world=true, hello=true, on=false}
结语
Java 8是通过函数式接口，赋予了函数“第一等公民”的特性。
通过函数式接口，使得函数和其它数据类型一样，可以赋值给某个变量、可以作为另一个函数的参数、也可以作为另一个函数的返回值。
函数式接口的实现，可以是一个类（包括匿名类），但更多的是一个lambda表达式或者一个方法引用（method reference）。