Java8新特性学习-函数式编程(Stream/Function/Optional/Consumer)

Java8新引入函数式编程方式，大大的提高了编码效率。本文将对涉及的对象等进行统一的学习及记录。

首先需要清楚一个概念：函数式接口；它指的是有且只有一个未实现的方法的接口，一般通过FunctionalInterface这个注解来表明某个接口是一个函数式接口。函数式接口是Java支持函数式编程的基础。

本文目录：

1 Java8函数式编程语法入门

2 Java函数式接口
2.1 Consumer

2.2 Function

2.3 Predicate

3 函数式编程接口的使用
3.1 Stream
3.1.1 Stream对象的创建

3.1.2 Stream对象的使用
3.1.2.1 filter

3.1.2.2 map

3.1.2.3 flatMap

3.1.2.4 takeWhile

3.1.2.5 dropWhile

3.1.2.6 reduce与collect

3.2 Optional
3.2.1 Optional对象创建
3.2.1.1 empty

3.2.1.2 of

3.2.1.3 ofNullable

3.2.2 方法

3.2.3 使用场景
3.2.3.1 判断结果不为空后使用

3.2.3.2 变量为空时提供默认值

3.2.3.3 变量为空时抛出异常，否则使用

1 Java8函数式编程语法入门

Java8中函数式编程语法能够精简代码。

使用Consumer作为示例，它是一个函数式接口，包含一个抽象方法accept，这个方法只有输入而无输出。

现在我们要定义一个Consumer对象，传统的方式是这样定义的：

Consumer c = new Consumer() {
@Override
public void accept(Object o) {
System.out.println(o);
}
};

而在Java8中，针对函数式编程接口，可以这样定义：

Consumer c = (o) -> {
System.out.println(o);
};

上面已说明，函数式编程接口都只有一个抽象方法，因此在采用这种写法时，编译器会将这段函数编译后当作该抽象方法的实现。

如果接口有多个抽象方法，编译器就不知道这段函数应该是实现哪个方法的了。

因此，=后面的函数体我们就可以看成是accept函数的实现。

输入：->前面的部分，即被()包围的部分。此处只有一个输入参数，实际上输入是可以有多个的，如两个参数时写法：(a, b);当然也可以没有输入，此时直接就可以是()。

函数体：->后面的部分，即被{}包围的部分；可以是一段代码。

输出：函数式编程可以没有返回值，也可以有返回值。如果有返回值时，需要代码段的最后一句通过return的方式返回对应的值。

当函数体中只有一个语句时，可以去掉{}进一步简化：

Consumer c = (o) -> System.out.println(o);

然而这还不是最简的，由于此处只是进行打印，调用了System.out中的println静态方法对输入参数直接进行打印，因此可以简化成以下写法：

Consumer c = System.out::println;

它表示的意思就是针对输入的参数将其调用System.out中的静态方法println进行打印。

到这一步就可以感受到函数式编程的强大能力。

通过最后一段代码，我们可以简单的理解函数式编程，Consumer接口直接就可以当成一个函数了，这个函数接收一个输入参数，然后针对这个输入进行处理；当然其本质上仍旧是一个对象，但我们已经省去了诸如老方式中的对象定义过程，直接使用一段代码来给函数式接口对象赋值。

而且最为关键的是，这个函数式对象因为本质上仍旧是一个对象，因此可以做为其它方法的参数或者返回值，可以与原有的代码实现无缝集成！

下面对Java中的几个预先定义的函数式接口及其经常使用的类进行分析学习。

2 Java函数式接口

2.1 Consumer

Consumer是一个函数式编程接口； 顾名思义，Consumer的意思就是消费，即针对某个东西我们来使用它，因此它包含有一个有输入而无输出的accept接口方法；

除accept方法，它还包含有andThen这个方法；

其定义如下：

default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
Objects.requireNonNull(after);
return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
}

可见这个方法就是指定在调用当前Consumer后是否还要调用其它的Consumer；

使用示例：

public static void consumerTest() {
Consumer f = System.out::println;
Consumer f2 = n -> System.out.println(n + "-F2");

//执行完F后再执行F2的Accept方法
f.andThen(f2).accept("test");

//连续执行F的Accept方法
f.andThen(f).andThen(f).andThen(f).accept("test1");
}

2.2 Function

Function也是一个函数式编程接口；它代表的含义是“函数”，而函数经常是有输入输出的，因此它含有一个apply方法，包含一个输入与一个输出；

除apply方法外，它还有compose与andThen及indentity三个方法，其使用见下述示例；

/**
* Function测试
*/
public static void functionTest() {
Function<Integer, Integer> f = s -> s++;
Function<Integer, Integer> g = s -> s * 2;

/**
* 下面表示在执行F时，先执行G，并且执行F时使用G的输出当作输入。
* 相当于以下代码：
* Integer a = g.apply(1);
* System.out.println(f.apply(a));
*/
System.out.println(f.compose(g).apply(1));

/**
* 表示执行F的Apply后使用其返回的值当作输入再执行G的Apply；
* 相当于以下代码
* Integer a = f.apply(1);
* System.out.println(g.apply(a));
*/
System.out.println(f.andThen(g).apply(1));

/**
* identity方法会返回一个不进行任何处理的Function，即输出与输入值相等；
*/
System.out.println(Function.identity().apply("a"));
}

2.3 Predicate

Predicate为函数式接口，predicate的中文意思是“断定”，即判断的意思，判断某个东西是否满足某种条件； 因此它包含test方法，根据输入值来做逻辑判断，其结果为True或者False。

它的使用方法示例如下：

/**
* Predicate测试
*/
private static void predicateTest() {
Predicate<String> p = o -> o.equals("test");
Predicate<String> g = o -> o.startsWith("t");

/**
* negate: 用于对原来的Predicate做取反处理；
* 如当调用p.test("test")为True时，调用p.negate().test("test")就会是False；
*/
Assert.assertFalse(p.negate().test("test"));

/**
* and: 针对同一输入值，多个Predicate均返回True时返回True，否则返回False；
*/
Assert.assertTrue(p.and(g).test("test"));

/**
* or: 针对同一输入值，多个Predicate只要有一个返回True则返回True，否则返回False
*/
Assert.assertTrue(p.or(g).test("ta"));
}

3 函数式编程接口的使用

通过Stream以及Optional两个类，可以进一步利用函数式接口来简化代码。

3.1 Stream

Stream可以对多个元素进行一系列的操作，也可以支持对某些操作进行并发处理。

3.1.1 Stream对象的创建

Stream对象的创建途径有以下几种

a. 创建空的Stream对象

Stream stream = Stream.empty();

b. 通过集合类中的stream或者parallelStream方法创建；

List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c", "d");
Stream listStream = list.stream();                   //获取串行的Stream对象
Stream parallelListStream = list.parallelStream();   //获取并行的Stream对象

c. 通过Stream中的of方法创建：

Stream s = Stream.of("test");
Stream s1 = Stream.of("a", "b", "c", "d");

d. 通过Stream中的iterate方法创建：

iterate方法有两个不同参数的方法：

public static<T> Stream<T> iterate(final T seed, final UnaryOperator<T> f);
public static<T> Stream<T> iterate(T seed, Predicate<? super T> hasNext, UnaryOperator<T> next)

其中第一个方法将会返回一个无限有序值的Stream对象：它的第一个元素是seed，第二个元素是f.apply(seed); 第N个元素是f.apply(n-1个元素的值)；生成无限值的方法实际上与Stream的中间方法类似，在遇到中止方法前一般是不真正的执行的。因此无限值的这个方法一般与limit等方法一起使用，来获取前多少个元素。

当然获取前多少个元素也可以使用第二个方法。

第二个方法与第一个方法生成元素的方式类似，不同的是它返回的是一个有限值的Stream；中止条件是由hasNext来断定的。

第二种方法的使用示例如下：

/**
* 本示例表示从1开始组装一个序列，第一个是1，第二个是1+1即2，第三个是2+1即3..，直接10时中止；
* 也可简化成以下形式：
*        Stream.iterate(1,
*        n -> n <= 10,
*        n -> n+1).forEach(System.out::println);
* 写成以下方式是为简化理解
*/
Stream.iterate(1,
new Predicate<Integer>() {
@Override
public boolean test(Integer integer) {
return integer <= 10;
}
},
new UnaryOperator<Integer>() {
@Override
public Integer apply(Integer integer) {
return integer+1;
}
}).forEach(System.out::println);

e. 通过Stream中的generate方法创建

与iterate中创建无限元素的Stream类似，不过它的每个元素与前一元素无关，且生成的是一个无序的队列。也就是说每一个元素都可以随机生成。因此一般用来创建常量的Stream以及随机的Stream等。

示例如下：

/**
* 随机生成10个Double元素的Stream并将其打印
*/
Stream.generate(new Supplier<Double>() {
@Override
public Double get() {
return Math.random();
}
}).limit(10).forEach(System.out::println);

//上述写法可以简化成以下写法：
Stream.generate(() -> Math.random()).limit(10).forEach(System.out::println);

f. 通过Stream中的concat方法连接两个Stream对象生成新的Stream对象

这个比较好理解不再赘述。

3.1.2 Stream对象的使用

Stream对象提供多个非常有用的方法，这些方法可以分成两类：

中间操作：将原始的Stream转换成另外一个Stream；如filter返回的是过滤后的Stream。

终端操作：产生的是一个结果或者其它的复合操作；如count或者forEach操作。

其清单如下所示，方法的具体说明及使用示例见后文。

所有中间操作

方法	说明
sequential	返回一个相等的串行的Stream对象，如果原Stream对象已经是串行就可能会返回原对象
parallel	返回一个相等的并行的Stream对象，如果原Stream对象已经是并行的就会返回原对象
unordered	返回一个不关心顺序的Stream对象，如果原对象已经是这类型的对象就会返回原对象
onClose	返回一个相等的Steam对象，同时新的Stream对象在执行Close方法时会调用传入的Runnable对象
close	关闭Stream对象
filter	元素过滤：对Stream对象按指定的Predicate进行过滤，返回的Stream对象中仅包含未被过滤的元素
map	元素一对一转换：使用传入的Function对象对Stream中的所有元素进行处理，返回的Stream对象中的元素为原元素处理后的结果
mapToInt	元素一对一转换：将原Stream中的使用传入的IntFunction加工后返回一个IntStream对象
flatMap	元素一对多转换：对原Stream中的所有元素进行操作，每个元素会有一个或者多个结果，然后将返回的所有元素组合成一个统一的Stream并返回；
distinct	去重：返回一个去重后的Stream对象
sorted	排序：返回排序后的Stream对象
peek	使用传入的Consumer对象对所有元素进行消费后，返回一个新的包含所有原来元素的Stream对象
limit	获取有限个元素组成新的Stream对象返回
skip	抛弃前指定个元素后使用剩下的元素组成新的Stream返回
takeWhile	如果Stream是有序的（Ordered），那么返回最长命中序列（符合传入的Predicate的最长命中序列）组成的Stream；如果是无序的，那么返回的是所有符合传入的Predicate的元素序列组成的Stream。
dropWhile	与takeWhile相反，如果是有序的，返回除最长命中序列外的所有元素组成的Stream；如果是无序的，返回所有未命中的元素组成的Stream。

所有终端操作

方法	说明
iterator	返回Stream中所有对象的迭代器;
spliterator	返回对所有对象进行的spliterator对象
forEach	对所有元素进行迭代处理，无返回值
forEachOrdered	按Stream的Encounter所决定的序列进行迭代处理，无返回值
toArray	返回所有元素的数组
reduce	使用一个初始化的值，与Stream中的元素一一做传入的二合运算后返回最终的值。每与一个元素做运算后的结果，再与下一个元素做运算。它不保证会按序列执行整个过程。
collect	根据传入参数做相关汇聚计算
min	返回所有元素中最小值的Optional对象；如果Stream中无任何元素，那么返回的Optional对象为Empty
max	与Min相反
count	所有元素个数
anyMatch	只要其中有一个元素满足传入的Predicate时返回True，否则返回False
allMatch	所有元素均满足传入的Predicate时返回True，否则False
noneMatch	所有元素均不满足传入的Predicate时返回True，否则False
findFirst	返回第一个元素的Optioanl对象；如果无元素返回的是空的Optional； 如果Stream是无序的，那么任何元素都可能被返回。
findAny	返回任意一个元素的Optional对象，如果无元素返回的是空的Optioanl。
isParallel	判断是否当前Stream对象是并行的

下面就几个比较常用的方法举例说明其用法：

3.1.2.1 filter

用于对Stream中的元素进行过滤，返回一个过滤后的Stream

其方法定义如下：

Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate);

使用示例：

Stream<String> s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa");
//查找所有包含t的元素并进行打印
s.filter(n -> n.contains("t")).forEach(System.out::println);

3.1.2.2 map

元素一对一转换。

它接收一个Funcation参数，用其对Stream中的所有元素进行处理，返回的Stream对象中的元素为Function对原元素处理后的结果

其方法定义如下：

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

示例，假设我们要将一个String类型的Stream对象中的每个元素添加相同的后缀.txt，如a变成a.txt，其写法如下：

Stream<String> s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa");
s.map(n -> n.concat(".txt")).forEach(System.out::println);

3.1.2.3 flatMap

元素一对多转换：对原Stream中的所有元素使用传入的Function进行处理，每个元素经过处理后生成一个多个元素的Stream对象，然后将返回的所有Stream对象中的所有元素组合成一个统一的Stream并返回；

方法定义如下：

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

示例，假设要对一个String类型的Stream进行处理，将每一个元素的拆分成单个字母，并打印：

Stream<String> s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa");
s.flatMap(n -> Stream.of(n.split(""))).forEach(System.out::println);

3.1.2.4 takeWhile

方法定义如下：

default Stream<T> takeWhile(Predicate<? super T> predicate)

如果Stream是有序的（Ordered），那么返回最长命中序列（符合传入的Predicate的最长命中序列）组成的Stream；如果是无序的，那么返回的是所有
bf4e
符合传入的Predicate的元素序列组成的Stream。

与Filter有点类似，不同的地方就在当Stream是有序时，返回的只是最长命中序列。

如以下示例，通过takeWhile查找”test”, “t1”, “t2”, “teeeee”, “aaaa”, “taaa”这几个元素中包含t的最长命中序列：

Stream<String> s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa", "taaa");
//以下结果将打印： "test", "t1", "t2", "teeeee"，最后的那个taaa不会进行打印
s.takeWhile(n -> n.contains("t")).forEach(System.out::println);

3.1.2.5 dropWhile

与takeWhile相反，如果是有序的，返回除最长命中序列外的所有元素组成的Stream；如果是无序的，返回所有未命中的元素组成的Stream;其定义如下：

default Stream<T> dropWhile(Predicate<? super T> predicate)

如以下示例，通过dropWhile删除”test”, “t1”, “t2”, “teeeee”, “aaaa”, “taaa”这几个元素中包含t的最长命中序列：

Stream<String> s = Stream.of("test", "t1", "t2", "teeeee", "aaaa", "taaa");
//以下结果将打印："aaaa", "taaa" 　
s.dropWhile(n -> n.contains("t")).forEach(System.out::println);

3.1.2.6 reduce与collect

关于reduce与collect由于功能较为复杂，在后续将进行单独分析与学习，此处暂不涉及。

3.2 Optional

用于简化Java中对空值的判断处理，以防止出现各种空指针异常。

Optional实际上是对一个变量进行封装，它包含有一个属性value，实际上就是这个变量的值。

3.2.1 Optional对象创建

它的构造函数都是private类型的，因此要初始化一个Optional的对象无法通过其构造函数进行创建。它提供了一系列的静态方法用于构建Optional对象:

3.2.1.1 empty

用于创建一个空的Optional对象；其value属性为Null。

如：

Optional o = Optional.empty();

3.2.1.2 of

根据传入的值构建一个Optional对象;

传入的值必须是非空值，否则如果传入的值为空值，则会抛出空指针异常。

使用：

o = Optional.of("test");

3.2.1.3 ofNullable

根据传入值构建一个Optional对象

传入的值可以是空值，如果传入的值是空值，则与empty返回的结果是一样的。

3.2.2 方法

Optional包含以下方法：

方法名	说明
get	获取Value的值，如果Value值是空值，则会抛出NoSuchElementException异常；因此返回的Value值无需再做空值判断，只要没有抛出异常，都会是非空值。
isPresent	Value是否为空值的判断；
ifPresent	当Value不为空时，执行传入的Consumer；
ifPresentOrElse	Value不为空时，执行传入的Consumer；否则执行传入的Runnable对象；
filter	当Value为空或者传入的Predicate对象调用test(value)返回False时，返回Empty对象；否则返回当前的Optional对象
map	一对一转换：当Value为空时返回Empty对象，否则返回传入的Function执行apply(value)后的结果组装的Optional对象；
flatMap	一对多转换：当Value为空时返回Empty对象，否则传入的Function执行apply(value)后返回的结果（其返回结果直接是Optional对象）
or	如果Value不为空，则返回当前的Optional对象；否则，返回传入的Supplier生成的Optional对象；
stream	如果Value为空，返回Stream对象的Empty值；否则返回Stream.of(value)的Stream对象；
orElse	Value不为空则返回Value，否则返回传入的值；
orElseGet	Value不为空则返回Value，否则返回传入的Supplier生成的值；
orElseThrow	Value不为空则返回Value，否则抛出Supplier中生成的异常对象；

3.2.3 使用场景

常用的使用场景如下：

3.2.3.1 判断结果不为空后使用

如某个函数可能会返回空值，以往的做法：

String s = test();
if (null != s) {
System.out.println(s);
}

现在的写法就可以是：

Optional<String> s = Optional.ofNullable(test());
s.ifPresent(System.out::println);

乍一看代码复杂度上差不多甚至是略有提升；那为什么要这么做呢？

一般情况下，我们在使用某一个函数返回值时，要做的第一步就是去分析这个函数是否会返回空值；如果没有进行分析或者分析的结果出现偏差，导致函数会抛出空值而没有做检测，那么就会相应的抛出空指针异常！

而有了Optional后，在我们不确定时就可以不用去做这个检测了，所有的检测Optional对象都帮忙我们完成，我们要做的就是按上述方式去处理。

3.2.3.2 变量为空时提供默认值

如要判断某个变量为空时使用提供的值，然后再针对这个变量做某种运算；

以往做法：

if (null == s) {
s = "test";
}
System.out.println(s);

现在的做法：

Optional<String> o = Optional.ofNullable(s);
System.out.println(o.orElse("test"));

3.2.3.3 变量为空时抛出异常，否则使用

以往写法：

if (null == s) {
throw new Exception("test");
}
System.out.println(s);

现在写法：

Optional<String> o = Optional.ofNullable(s);
System.out.println(o.orElseThrow(()->new Exception("test")));

其它场景待补充。