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不过有些Java对象只是对单个函数的封装

发布于:2019-09-18 01:46来源:admin1 点击:

  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。

  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)。

  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:

  Java是一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的对象往往比较“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:

  这里并不需要专门定义一个类来实现ActionListener接口,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):

  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CPU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:

  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)

  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:

  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。我们仔细考虑了这个方式,但出于下面的原因,最终将其否定:

  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)指名类型(Nominal Type)的混用。(Java几乎全部使用指名类型)

  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

  它的语法会变得十分笨拙,尤其在包含受检异常(checked exception)之后

  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

  所以我们选择了“使用已知类型”这条路——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:

  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,例如:

  除了上面的这些基本的函数式接口,365bet体育平台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)同样的我们也提供了一些针对多个参数的函数式接口,例如BiFunctionT, U, R,365bet体育平台它接收T对象和U对象,返回R对象。

  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”。

  第一个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:

  表达式函数体适合小型lambda表达式,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。

  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:

  编译器负责推导lambda表达式的类型。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:

  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:

  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:

  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:

  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:

  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:

  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:

  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。

  在上面的代码中,ps的类型是ListPerson,所以ps.stream()的返回类型是StreamPerson。map()方法接收一个类型为FunctionT, R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StreamString。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:

  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:

  最后,转型表达式(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:

  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:

  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:

  与之相类似的内部类实现则会打印出类似Hello$1@5b89a773和Hello$2@537a7706之类的字符串,这往往会使开发者大吃一惊。

  基于词法作用域的理念,lambda表达式不可以掩盖任何其所在上下文中的局部变量,它的行为和那些拥有参数的控制流结构(例如for循环和catch从句)一致。

  在Java SE 7中,编译器对内部类中引用的外部变量(即捕获的变量)要求非常严格:如果捕获的变量没有被声明为final就会产生一个编译错误。我们现在放宽了这个限制——对于lambda表达式和内部类,我们允许在其中捕获那些符合有效只读(Effectively final)的局部变量。

  简单的说,如果一个局部变量在初始化后从未被修改过,那么它就符合有效只读的要求,换句话说,加上final后也不会导致编译错误的局部变量就是有效只读变量。

  对this的引用,以及通过this对未限定字段的引用和未限定方法的调用在本质上都属于使用final局部变量。包含此类引用的lambda表达式相当于捕获了this实例。在其它情况下,lambda对象不会保留任何对this的引用。

  这个特性对内存管理是一件好事:内部类实例会一直保留一个对其外部类实例的强引用,而那些没有捕获外部类成员的lambda表达式则不会保留对外部类实例的引用。要知道内部类的这个特性往往会造成内存泄露。

  尽管我们放宽了对捕获变量的语法限制,但试图修改捕获变量的行为仍然会被禁止,比如下面这个例子就是非法的:

  为什么要禁止这种行为呢?因为这样的lambda表达式很容易引起race condition。除非我们能够强制(最好是在编译时)这样的函数不能离开其当前线程,但如果这么做了可能会导致更多的问题。简而言之,lambda表达式对值封闭,对变量开放。

  lambda表达式不支持修改捕获变量的另一个原因是我们可以使用更好的方式来实现同样的效果:使用规约(reduction)。java.util.stream包提供了各种通用的和专用的规约操作(例如sum、min和max),就上面的例子而言,我们可以使用规约操作(在串行和并行下都是安全的)来代替forEach:

  规约需要一个初始值(以防输入为空)和一个操作符(在这里是加号),然后用下面的表达式计算结果:

  规约也可以完成其它操作,比如求最小值、最大值和乘积等等。如果操作符具有可结合性(associative),那么规约操作就可以容易的被并行化。所以,与其支持一个本质上是并行而且容易导致race condition的操作,我们选择在库中提供一个更加并行友好且不容易出错的方式来进行累积(accumulation)。

  lambda表达式允许我们定义一个匿名方法,并允许我们以函数式接口的方式使用它。我们也希望能够在已有的方法上实现同样的特性。

  方法引用和lambda表达式拥有相同的特性(例如,它们都需要一个目标类型,并需要被转化为函数式接口的实例),不过我们并不需要为方法引用提供方法体,我们可以直接通过方法名称引用已有方法。

  以下面的代码为例,假设我们要按照name或age为Person数组进行排序:

  这里的Person::getName可以被看作为lambda表达式的简写形式。尽管方法引用不一定(比如在这个例子里)会把语法变的更紧凑,但它拥有更明确的语义——如果我们想要调用的方法拥有一个名字,我们就可以通过它的名字直接调用它。

  因为函数式接口的方法参数对应于隐式方法调用时的参数,所以被引用方法签名可以通过放宽类型,装箱以及组织到参数数组中的方式对其参数进行操作,就像在调用实际方法一样:

  对于静态方法引用,我们需要在类名和方法名之间加入::分隔符,例如Integer::sum。

  对于具体对象上的实例方法引用,我们则需要在对象名和方法名之间加入分隔符:

  这里的隐式lambda表达式(也就是实例方法引用)会从knownNames中捕获String对象,而它的方法体则会通过Set.contains使用该String对象。

  引用任意对象的实例方法则需要在实例方法名称和其所属类型名称间加上分隔符:

  如果类型的实例方法是泛型的,那么我们就需要在::分隔符前提供类型参数,或者(多数情况下)利用目标类型推导出其类型。

  需要注意的是,静态方法引用和类型上的实例方法引用拥有一样的语法。编译器会根据实际情况做出决定。

  一般我们不需要指定方法引用中的参数类型,因为编译器往往可以推导出结果,但如果需要我们也可以显式在::分隔符之前提供参数类型信息。

  如果类型拥有多个构造方法,那么我们就会通过目标类型的方法参数来选择最佳匹配,这里的选择过程和调用构造方法时的选择过程是一样的。

  如果待实例化的类型是泛型的,那么我们可以在类型名称之后提供类型参数,否则编译器则会依照菱形构造方法调用时的方式进行推导。

  数组的构造方法引用的语法则比较特殊,为了便于理解,你可以假想存在一个接收int参数的数组构造方法。参考下面的代码:

  lambda表达式和方法引用大大提升了Java的表达能力(expressiveness),不过为了使把代码即数据(code-as-data)变的更加容易,我们需要把这些特性融入到已有的库之中,以便开发者使用。

  Java SE 7时代为一个已有的类库增加功能是非常困难的。具体的说,接口在发布之后就已经被定型,除非我们能够一次性更新所有该接口的实现,否则向接口添加方法就会破坏现有的接口实现。默认方法(之前被称为虚拟扩展方法或守护方法)的目标即是解决这个问题,使得接口在发布之后仍能被逐步演化。

  这里给出一个例子,我们需要在标准集合API中增加针对lambda的方法。例如removeAll方法应该被泛化为接收一个函数式接口Predicate,但这个新的方法应该被放在哪里呢?我们无法直接在Collection接口上新增方法——不然就会破坏现有的Collection实现。我们倒是可以在Collections工具类中增加对应的静态方法,但这样就会把这个方法置于“二等公民”的境地。

  默认方法利用面向对象的方式向接口增加新的行为。它是一种新的方法:接口方法可以是抽象的或是默认的。默认方法拥有其默认实现,实现接口的类型通过继承得到该默认实现(如果类型没有覆盖该默认实现)。此外,默认方法不是抽象方法,所以我们可以放心的向函数式接口里增加默认方法,而不用担心函数式接口的单抽象方法限制。

  根据上面的Iterator定义,所有实现Iterator的类型都会自动继承skip方法。在使用者的眼里,skip不过是接口新增的一个虚拟方法。在没有覆盖skip方法的Iterator子类实例上调用skip会执行skip的默认实现:调用hasNext和next若干次。子类可以通过覆盖skip来提供更好的实现——比如直接移动游标(cursor),或是提供为操作提供原子性(Atomicity)等。

  当接口继承其它接口时,我们既可以为它所继承而来的抽象方法提供一个默认实现,也可以为它继承而来的默认方法提供一个新的实现,还可以把它继承而来的默认方法重新抽象化。

  除了默认方法,Java SE 8还在允许在接口中定义静态方法。这使得我们可以从接口直接调用和它相关的辅助方法(Helper method),而不是从其它的类中调用(之前这样的类往往以对应接口的复数命名,例如Collections)。比如,我们一般需要使用静态辅助方法生成实现Comparator的比较器,在Java SE 8中我们可以直接把该静态方法定义在Comparator接口中:

  和其它方法一样,默认方法也可以被继承,大多数情况下这种继承行为和我们所期待的一致。不过,当类型或者接口的超类拥有多个具有相同签名的方法时,我们就需要一套规则来解决这个冲突:

  为了演示第二条规则,我们假设Collection和List接口均提供了removeAll的默认实现,然后Queue继承并覆盖了Collection中的默认方法。在下面的implement从句中,List中的方法声明会优先于Queue中的方法声明:

  当两个独立的默认方法相冲突或是默认方法和抽象方法相冲突时会产生编译错误。365bet体育平台这时程序员需要显式覆盖超类方法。一般来说我们会定义一个默认方法,然后在其中显式选择超类方法:

  super前面的类型必须是有定义或继承默认方法的类型。这种方法调用并不只限于消除命名冲突——我们也可以在其它场景中使用它。

  最后,接口在inherits和extends从句中的声明顺序和它们被实现的顺序无关。

  我们在设计lambda时的一个重要目标就是新增的语言特性和库特性能够无缝结合(designed to work together)。接下来,我们通过一个实际例子(按照姓对名字列表进行排序)来演示这一点:

  尽管代码简洁了很多,但它的抽象程度依然很差:开发者仍然需要进行实际的比较操作(而且如果比较的值是原始类型那么情况会更糟),所以我们要借助Comparator里的comparing方法实现比较操作:

  我们注意到这里的lambda表达式实际上是getLastName的代理(forwarder),于是我们可以用方法引用代替它:

  最后,使用Collections.sort这样的辅助方法并不是一个好主意:它不但使代码变的冗余,也无法为实现List接口的数据结构提供特定(specialized)的高效实现,而且由于Collections.sort方法不属于List接口,用户在阅读List接口的文档时不会察觉在另外的Collections类中还有一个针对List接口的排序(sort())方法。

  默认方法可以有效的解决这个问题,我们为List增加默认方法sort(),然后就可以这样调用:

  此外,如果我们为Comparator接口增加一个默认方法reversed()(产生一个逆序比较器),我们就可以非常容易的在前面代码的基础上实现降序排序。

  Java SE 8提供的新语言特性并不算多——lambda表达式,方法引用,默认方法和静态接口方法,以及范围更广的类型推导。但是把它们结合在一起之后,开发者可以编写出更加清晰简洁的代码,类库编写者可以编写更加强大易用的并行类库。

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