Java 8中的 Lambda表达式

 第一章：Java 8中的 Lambda表达式

在这一章，我们说一说Lambda表达式的语法。我们将从经典的Java语法过渡到新式的Lambda表达式语法。

我们也会讲一讲Lambda表达式的原理-即在运行时Lambda表达式如何表示，涉及哪些字节码指令。

入门

如果你熟悉Groovy或者Ruby这些支持Lambda表达式的编程语言，那么你一开始可能会认为Java的Lambda表达式并不像其他编程语言中的那样简洁。在java中，Lambda表达式是SAM类型，SAM类型是一个具有单一抽象方法的接口。（对了，Java8接口可以包含非抽象方法了-即default/defender方法，我们将在后面讲到它）

举个例子，众所周知的Runnable接口就是SAM类型的：

Runnable r =()->System.out.println("hello Lambda!");

Comparator 接口也算一个:

Comparator cmp=(x, y)->(x < y)?-1:((x > y)?1:0);

像下面这样写也可以:

Comparator cmp= (x, y)->{ return (x < y) ? -1: ((x > y)?1:0); };

如此看来上面单行的Lambda表达式中隐含有return关键词。

       我来用下面的例子提示一下，使用Java8之前的语法，如何实现同样的比较器代码：

Comparator cmp=newComparator(){   @Override     publicint compare(Integer x,Integer y){ return (x< y)? -1:((x> y)?1:0);     } };

如你所见，在这两个例子中有相当一部分代码是相同的，相同部分正是Comparator 的比较逻辑：

(x< y)? -1:((x> y)?1:0)

当把经典风格java语法转变为Lambda表达式语法时，我们主要关注接口方法的参数和功能逻辑。

看另外一个例子。如果我打算写一个方法，此方法接收一个Lambda表达式作为参数，那么该怎么写？嗯…你得把方法参数声明成函数接口，然后才能传递Lambda表达式进来，如下所示：

Interface Action{ void run(Stringparam); }   public void execute(Action action){ action.run("Hello!"); }

如果我们想要调用execute(..)方法，那么通常地做法，给execute方法传递一个Action的匿名实现类。如下所示：

execute(new Action{ publicvoid run(String param){ System.out.println(param); } });

但是因为我们现在有函数接口做参数类型，所以我们可以用下面的方式调用execute(..)：

execute((Stringparam)->System.out.println(param));

实际上，可以不需要声明Lambda表达式的参数类型：

execute(param->System.out.println(param));

一般来说，Lambda表达式的类型声明规则如下：要么为所有参数声明类型，要么去掉所有参数的类型声明。

既然这个Lambda表达式仅调用一个方法，且（该方法和函数接口中定义的方法）使用相同的参数，那么可以用方法引用（method reference）替代这个Lambda表达式。如下所示：

execute(System.out::println);

但是，如果（调用的方法）使用参数形式有变，就不能使用方法引用了，得使用完整的Lambda表达式，如下面这种情况：

execute(s->System.out.println("*"+ s +"*"));

尽管Java本质上并没有函数类型（的变量），但是上面展示的语法已经相当不错，对于在java语言中应用Lambda表达式来说，我们也算有一个非常优雅的解决方案了。

函数接口

如刚才讲的，Lambda表达式在运行期表示为一个函数接口（functionalinterface）（或者说一个SAM类型），函数接口是一种只定义了一个抽象方法的接口。尽管JDK已经有一些接口都符合函数接口定义，比如Runnable 和 Comparator，但是这对API演进来说是显然不够的。我们又不能到处在代码里使用像Runnable这样的接口，因为这么做不合乎逻辑。

JDK8中新增了一个包，java.util.function，这个包里有一些专门给新增的API使用的函数接口。此处就不列出所有的函数接口了，有兴趣可以自行学习下java.util.function：）

下面列出几个java.util.function中定义的接口，都非常有趣：

  Consumer<T> – 在T上执行一个操作，无返回结果
  Supplier<T> –无输入参数，返回T的实例
  Predicate<T> –输入参数为T的实例，返回boolean值
  Function<T,R> –输入参数为T的实例，返回R的实例

java.util.function 中新定义了超过40个函数接口。通常可以从接口的名字看出其含义。举个例子，BiFunction和上面提到的Function接口非常相似，只是唯一不同点是BiFunction有两个输入参数而Function有一个。

我们可以从那些新接口中看到另一个常见模式，该模式是在一个接口继承另一个接口的时候，把多个参数声明成同一种类型。例如，BinaryOperator 继承BiFunction，目的仅仅是为了把两个输入参数声明为同类型，如下所示：

@FunctionalInterface public interface BinaryOperator extends BiFunction<T,T,T>{}

为了强调接口是函数接口，可以使用新注释@FunctionalInterface，来防止你的团队成员往这个接口里增加方法。这个注释除了在运行时使用，还给javac用来验证该接口是否真是函数接口，其内部的抽象方法是否不多于一个。

下面代码不能正常编译：

@FunctionalInterface interface Action{ void run(String param); void stop(String param); }

编译器抛出错误：

java: Unexpected @FunctionalInterface annotation     Action is not a functional interface     multiple non-overriding abstract methods found in interface Action

而下面的会编译通过

@FunctionalInterface interface Action { void run(String param); default void stop(String param){} }

获取变量

如果Lambda表达式需要访问非静态变量或定义在其外部的对象，那么我们会碰到一种情况，就是Lambda表达式需要获取非体内变量，此时我们称之为一种“获取态”的Lambda表达式。

思考下面比较器的例子：

int minus_one =-1; int one =1; int zero =0; Comparator cmp =(x, y)->(x < y)? minus_one :((x > y)? one : zero);

为了使Lambda表达式生效，Lambda表达式获取的变量minus_one、one和 zero必须是“实质的常量”。这意味着这些变量要么应该声明成final类型，要么不能二次赋值。

返回值是Lambda表达式

虽然在上面讲到的例子中，函数接口可以用作其他某个方法的参数，然而函数接口的用法并不限于当参数，函数接口还可以用作方法的返回值。也就是说我们可以从方法返回一个Lambda表达式，如下例子：

public class Comparator Factory{ public Comparator makeComparator(){ return Integer::compareUnsigned; }   }

上面的例子展示了一段有效的方法代码，这个方法返回了一个方法引用。然而实际上仅像那样是不能从方法中返回一个方法引用的，其实编译器还会使用invokedynamic 字节码指令，生成一些代码来使它成为一个方法调用，该方法调用返回一个Comparator接口的实例对象。因此客户端代码只认为自己是在使用一个接口：

Comparator cmp=new ComparatorFactory().makeComparator(); cmp.compare(10, -5);// -1

序列化Lambda表达式

前一部分中使用的那段代码，创建了一个Comparator 实例对象，该实例对象可以让客户端代码使用。所有工作看似相当成功。但是，有个严重的问题，即是如果我们尝试序列化那个Comparator实例对象，代码就会抛出NotSerializableException异常。

因为序列化可能存在安全隐患，所以默认情况下，Lambda表达式不能序列化。为了能序列化，java8引入了所谓的类型关联（TypeIntersection），如下所示：

public class ComparatorFactory{ public Comparator makeComparator(){ return(Comparator&Serializable)Integer::compareUnsigned; } }

Serializable接口一般认为是标记性的接口，该接口中没有声明任何方法，因此Serializable接口也可以称作ZAM类型（ZAM即Zero Abstract Methods）。

使用类型关联的一般规则如下：

SAM & ZAM1 & ZAM2 & ZAM3

也就是说，如果返回结果是SAM类型的，那么我们可以用SAM类型和一个甚至多个ZAM类型“相关联”。我们现在事实上认为作为返回结果的Comparator 实例对象也是Serializable类型的。

经过上面对返回结果强制转换类型后，编译器在编译后的class文件中多生成了一个方法，如下所示：

private  static  java.lang.Object  $deserializeLambda$(java.lang.invoke.SerializedLambda);

此外，通过使用invokedynamic 字节码指令策略，当通过makeComparator()方法 创建一个Comparator 的实例对象的时候，编译器就会调用$deserializeLambda$(..) 方法。 

反编译Lambda表达式

现在给大家讲一讲这背后的实现原理。当我们在代码中使用Lambda表达式的时候，同时也了解下代码实际上是怎么编译的，这会很有趣。

目前（像Java 7之前的版本），如果你想在java中模仿Lambda表达式，那么你得定义一个匿名内部类。这样会在编译后生成一个相应的class文件。如果你在代码中定义多个匿名内部类，那么这些匿名类只不过是在其相应的class文件名字中增加一个数字后缀。Lambda表达式编译后会是怎样呢？

仔细思考下面的代码：

public class Main {    @FunctionalInterface  interface Action{ void run(String s);     }   public  void  action(Action action){ action.run("Hello!");     }      public  static  void main(String[] args){ new  Main().action((String s)->System.out.print("*"+ s +"*"));     }  }

编译后产生两个类文件：Main.class和Main$Action.class，但并没有生成带编号的类，带编号的类通常在匿名类编译后产生。这样在Main.class中一定有什么东西，实现了我们在main方法中定义的Lambda表达式。（我们反编译下Main.class看看究竟）

$ javap -p Main   Warning: Binary file Main contains com.zt.Main Compiled from "Main.java" public class com.zt.Main {   public com.zt.Main();   public void action(com.zt.Main$Action);   public static void main(java.lang.String[]);   private static java.lang.Object Lambda$0(java.lang.String); }

哈！在编译后的class中生成了一个方法Lambda$0！ -C- V选项会给我们展示实际的字节码和常量池定义。

下面的main方法揭示了invokedynamic指令用来分派方法调用。

public static void main(java.lang.String[]);    Code:    0: new          #4   // class com/zt/Main    3: dup    4: invokespecial#5    // Method "":()V    7: invokedynamic #6,  0  // InvokeDynamic #0:run:()Lcom/zt/Main$Action;   12: invokevirtual  #7      // Method action:(Lcom/zt/Main$Action;)V   15: return

可以在常量池中找到引导方法，该引导方法负责在运行时把所有内容链接起来：

BootstrapMethods:   0: #40 invokestatic java/lang/invoke/LambdaMetafactory.metaFactory:(    \ Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;             \ Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/invoke/MethodHandle;          \ Ljava/lang/invoke/MethodHandle;Ljava/lang/invoke/MethodType;)         \ Ljava/lang/invoke/CallSite;   Method arguments:     #41 invokeinterface com/zt/Main$Action.run:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Object;     #42 invokestatic com/zt/Main.Lambda$0:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Object;     #43 (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/Object;

你可以看见到处都有MethodHandle的影子，但我们现在不会深入去讲MethodHandle。到现在，我们可以确认上面说的那个定义恰恰指的是生成的方法Lambda$0。

如果我定义一个名字是Lambda$0的静态方法会这么样？Lambda$0毕竟算一个有效标识符！于是，我定义了Lambda$0方法，如下所示：

Public static void Lambda$0(String s){     return null; }

结果编译失败，不允许我在代码中定义Lambda$0方法。

java: the symbol Lambda$0(java.lang.String) conflicts with a         compiler-synthesized symbol in com.zt.Main

这实际上告诉我们在编译过程中，在Main类里构建其他方法前就先构建的Lambda表达式。

总结

在此为本文的第一章做一个小结。我敢肯定，Lambda表达式在不久的将来会对Java产生巨大的影响。又因为Lambda表达式语法结构相当不错，所以一旦开发者认识到像Lambda这些特性有益于提升开发效率，那么我们将会看到Lambda表达式更广泛的应用。