告别冗长代码：Java Lambda 表达式如何简化你的编程

在现代软件开发中，高效和简洁的代码变得越来越重要。Java作为一门成熟而广泛使用的编程语言，一直在不断进化，以满足开发者的需求。Java 8的推出标志着一次重要的飞跃，其中最引人注目的特性之一便是Lambda表达式。

Lambda表达式为Java带来了函数式编程的灵活性，使得代码不仅更加简洁，还大大提升了可读性和维护性。不再需要冗长的匿名类，开发者可以用更少的代码完成更多的功能。对于那些致力于编写高效、简洁代码的开发者来说，掌握Lambda表达式是不可或缺的技能。

在本篇文章中，我们将深入探讨Java的Lambda表达式，揭示它的强大功能和应用场景。无论你是Java的初学者，还是有多年经验的老手，这篇文章都将带你领略Lambda表达式的魅力，帮助你在编程之旅中迈上新的台阶。

文章目录

• • • • 1、Lambda表达式概述
      • • 1.1、Lambda表达式的简介
        • 1.2、Lambda 表达式的基本语法
        • 1.3、Lambda 表达式的基础示例
        • 1.4、Lambda表达式的要求
      • 2、函数式接口
      • • 2.1、什么是函数式接口
        • 2.2、函数式接口的定义
        • 2.3、主要的函数式接口
        • • 2.3.1、接口 `Predicate`
          • 2.3.2、接口 `Consumer`
          • 2.3.3、接口 `Function`
          • 2.3.4、接口 `Supplier`
          • 2.3.5、接口 `BiConsumer`
          • 2.3.6、接口 `BiFunction`
          • 2.3.7、接口 `UnaryOperator`：
          • 2.3.8、接口 `BinaryOperator`：
      • 3、Lambda 方法引用
      • • 3.1、Lambda 方法引用的介绍
        • 3.2、静态方法引用
        • 3.3、实例方法引用
        • 3.4、特定类型的任意对象的实例方法引用
        • 3.5、构造器引用
      • 4、Lambda 变量捕获
      • • 4.1、变量捕获的类型
        • 4.2、什么是 Effectively Final？
        • 4.3、示例：捕获局部变量
        • 4.4、不可以捕获的情况
        • 4.5、捕获实例变量
      • 5、Lambda 在集合当中的使用
      • • 5.1、`Collection` 新增接口
        • 5.2、`List` 新增接口
        • 5.3、`Set` 新增接口
        • 5.4、`Map` 新增接口

1、Lambda表达式概述

1.1、Lambda表达式的简介

Java（SE）8 于 2014 年 3 月发布，引入了多个改进特性，其中 Lambda 表达式（Lambda expression，也可称为闭包（Closure））是最受欢迎的新特性之一。

Lambda 表达式允允许把函数作为一个方法的参数，允许在方法中传递代码块，从而实现更加灵活的编程方式。Lambda 表达式可以简化代码，减少样板代码的出现，并且使代码更加易读和易于维护。

Lambda 表达式允许我们通过表达式来代替功能接口。Lambda 表达式就和方法一样，它提供了一个正常的参数列表和一个使用这些参数的主体（body，可以是一个表达式或一个代码块）。

Lambda 表达式为 Java 添加了函数式编程的能力，简化了代码，使得编写简洁的代码成为可能。这一特性特别适用于对集合进行操作的场景。

1.2、Lambda 表达式的基本语法

Lambda 表达式基本上是一个简洁的表示匿名函数的方法，它不需要像匿名类那样繁琐。Lambda 表达式的语法如下：

code(parameters) -> expression 或 (parameters) -> { statements; }

其中 Lambda 表达式的三个组成部分：

1. 参数列表（parameters）：类似方法中的形参列表，这里的参数是函数式接口里的参数。这里的参数类型可以明确的声明，也可不声明而由 JVM 隐含的推断。另外如果只有一个参数，圆括号也可以省略；
2. 箭头（->）：连接参数列表和 Lambda 主体,可理解为 “被用于” 的意思；
3. Lambda 主体（expression 或 { statements; }）：可以是表达式也可以代码块，是函数式接口里方法的实现。①、expression：表达式，当 Lambda 体只有一条语句时可以是一个表达式或一个单独的语句；②、statements：代码块，如果 Lambda 体包含多条语句，需要用花括号括起来。③、无论是表达式还是代码块，都可以返回一个值或者什么都不反回。

1.3、Lambda 表达式的基础示例

假设我们有一个字符串列表，我们想要对其排序。使用 Lambda 表达式前后的代码对比如下：

使用传统方法（匿名内部类）：

List<String> names = Arrays.asList("Peter", "Anna", "Mike", "Xenia");

Collections.sort(names, new Comparator<String>() {
    public int compare(String a, String b) {
        return a.compareTo(b);
    }
});

匿名内部类: 这里 new Comparator() {...} 创建了一个 Comparator 的匿名实现类。匿名内部类是没有类名的类，直接用其父类或要实现的接口作为其类型。

使用 Lambda 表达式：

List<String> names = Arrays.asList("Peter", "Anna", "Mike", "Xenia");

Collections.sort(names, (String a, String b) -> {
    return a.compareTo(b);
});

--- 或者更简洁

Collections.sort(names, (a, b) -> a.compareTo(b));

1.4、Lambda表达式的要求

虽然说，Lambda 表达式可以在⼀定程度上简化接口的实现。但是，并不是所有的接口都可以使用 Lambda 表达式来简洁实现的。

Lambda 表达式毕竟只是⼀个匿名方法。当实现的接口中的方法过多或者多少的时候，Lambda 表达式都是不适用的。

Lambda 表达式，只能实现函数式接口。

2、函数式接口

2.1、什么是函数式接口

在 Java 中，函数式接口（Functional Interface）是指具有单一抽象方法的接口，但它可以有多个默认（default）或静态（static）方法。Java 8 引入了这个概念，主要是为了支持 Lambda 表达式，同时保持对老代码的兼容性。

函数式接口的特性：

• 单一抽象方法：这是函数式接口的核心特征，它意味着该接口中只有一个没有实现的方法；
• 默认方法：Java 8 允许在接口中实现方法，这些方法被称为默认方法。默认方法不影响接口的”函数式接口”状态，因为它们不是抽象的；
• 静态方法：接口还可以包含静态方法。这些方法同样不影响接口的函数式接口状态，因为静态方法也是具体实现的。

函数式接口提供了一种将功能逻辑作为数据传递的方式，极大地增强了 Java 在编写高效且简洁代码方面的能力。随着 Java 版本的迭代，函数式编程已成为开发中不可或缺的工具。

2.2、函数式接口的定义

在 Java 中，函数式接口通常通过 @FunctionalInterface 注解来表示。这个注解不是必需的，但它可以帮助编译器检查所标注的接口是否满足函数式接口的条件。标准的定义如下：

@FunctionalInterface
public interface MyFunctionalInterface {
    void execute();
}

2.3、主要的函数式接口

Java 8 引入了 java.util.function 包，这个包中定义了一系列的内建函数式接口，极大地方便了函数式编程的实践，特别是与 Lambda 表达式的结合使用。

2.3.1、接口 Predicate

用途：Predicate 接口定义一个参数的方法，返回布尔值。这通常用于判断或过滤数据。

方法签名：boolean test(T t);

示例：使用 Predicate 过滤一个 List，移除不符合条件的元素。

List<String> names = Arrays.asList("Peter", "Anna", "Mike", "Xenia");
// 移除以"M"开头的名字
names.removeIf(name -> name.startsWith("M"));

2.3.2、接口 Consumer

用途：Consumer 接口定义单一输入参数的 accept 方法，不返回任何结果（void 返回类型），常用于在对象上执行某些操作，如打印数据。

方法签名：void accept(T t);

示例：使用 Consumer 打印 List 中的每个元素。

List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
numbers.forEach(number -> System.out.println(number));

2.3.3、接口 Function

用途：Function 接口定义一个接受一个参数并产生结果的方法，常用于映射或转换数据。

方法签名：R apply(T t);

示例：将字符串转换为其长度。

List<String> names = Arrays.asList("Peter", "Anna", "Mike", "Xenia");
List<Integer> nameLengths = names.stream()
    .map(name -> name.length())
    .collect(Collectors.toList());

2.3.4、接口 Supplier

用途：Supplier 不接受任何参数但返回一个值，并且这个值的类型是泛型 T。它常用于延迟生成或提供值的场景。

方法签名：T get();

示例：提供当前时间的字符串格式。

Supplier<String> currentTime = () -> new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date());
System.out.println("Current Time: " + currentTime.get());

2.3.5、接口 BiConsumer

用途：接受两个输入参数，无返回结果，用于两元素的操作。

方法签名：void accept(T t, U u);

示例：打印两个参数的和。

BiConsumer<Integer, Integer> add = (a, b) -> System.out.println("Sum: " + (a + b));
// 输出 Sum: 8
add.accept(5, 3);  

2.3.6、接口 BiFunction

用途：接受两个输入参数，返回一个结果，用于两元素的操作。

方法签名：R apply(T t, U u);

示例：计算两个参数的和。

BiFunction<Integer, Integer, Integer> add = (a, b) -> a + b;
// 计算 1+2 的结果
Integer sum = add.apply(1, 2);  

2.3.7、接口 UnaryOperator：

用途：一种特殊类型的 Function，输入参数类型和返回类型相同。

方法：T apply(T t);

示例：计算参数的平方并返回。

UnaryOperator<Integer> square = x -> x * x;
Integer result = square.apply(5);

2.3.8、接口 BinaryOperator：

用途：一种特殊类型的 BiFunction，其中两个输入参数和返回类型都相同。

方法：T apply(T t1, T t2);

示例：计算两个参数的积并返回。

BinaryOperator<Integer> multiply = (a, b) -> a * b;
Integer product = multiply.apply(5, 3); 

3、Lambda 方法引用

3.1、Lambda 方法引用的介绍

在 Java 中，方法引用是一种简化 lambda 表达式的写法，特别是当 lambda 表达式只是直接调用一个已存在的方法时。方法引用提供了一种更清晰、更简洁的方式来引用直接已存在的方法或构造器。

方法引用有四种主要的类型：

1. 静态方法引用（ClassName::methodName）；
2. 实例方法引用（instance::methodName）；
3. 特定类型的任意对象的实例方法引用（ClassName::methodName）；
4. 构造器引用（ClassName::new）

3.2、静态方法引用

如果函数式接口的实现通过调用一个静态方法来完成，可以使用静态方法引用。

示例：

假设我们有以下静态方法：

public class MathOperations {
    public static int multiplyByTwo(int i) {
        return i * 2;
    }
}

我们可以这样使用方法引用替代相应的 lambda 表达式：

Function<Integer, Integer> timesTwo = MathOperations::multiplyByTwo;
// 输出 10
System.out.println(timesTwo.apply(5));  

3.3、实例方法引用

当目标引用是一个实例的方法时，可以使用实例方法引用。

示例：

假设有一个非静态方法：

public class Printer {
    public void printUpperCase(String s) {
        System.out.println(s.toUpperCase());
    }
}

使用实例方法引用：

Printer printer = new Printer();
Consumer<String> printUpper = printer::printUpperCase;
// 输出 HELLO
printUpper.accept("hello");  

3.4、特定类型的任意对象的实例方法引用

如果方法引用是针对特定类型的任意对象，可以使用 ClassName::methodName。

示例：

Function<String, String> upperFunct = String::toUpperCase;
// 输出 HELLO
System.out.println(upperFunct.apply("hello"));

这里，我们引用了 String 类的 toUpperCase 方法。

3.5、构造器引用

构造器引用与方法引用类似，但它调用的是类的构造器。

示例：

假设我们有以下类：

public class Person {
    private String name;
    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Person{name='" + name + "'}";
    }
}

使用构造器引用：

Function<String, Person> personCreator = Person::new;
Person p = personCreator.apply("John Doe");
 // 输出 Person{name='John Doe'}
System.out.println(p); 

4、Lambda 变量捕获

Lambda 表达式与匿名内部类相似，它们都可以访问”外围”作用域中的变量。这种访问外围变量的行为称为”变量捕获”。

4.1、变量捕获的类型

在 Lambda 表达式中，可以捕获两种类型的变量：

1. 实例变量和静态变量：Lambda 表达式内部可以自由使用实例变量和静态变量而不受任何限制，这些变量可以自由地被读取或修改；

2. 局部变量：可以捕获外围方法的局部变量，但这些局部变量必须是事实上的最终变量（effectively final），即这些变量在初始化后不会再为它们赋新值。

4.2、什么是 Effectively Final？

一个变量如果被声明为 final，那么它就是最终变量。即使变量没有被声明为 final，但在初始化后从未改变过，那么这个变量也是事实上的最终变量。从 Java 8 开始，这样的未声明为 final 的变量也可以在 Lambda 表达式中被捕获。

4.3、示例：捕获局部变量

public class LambdaCaptureExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num = 10;
      	// Effectively final variable
        Runnable r = () -> System.out.println(num);
      	// 输出 10
        r.run();
    }
}

在这个例子中，变量 num 虽然没有被声明为 final，但在初始化之后没有再改变，所以它是事实上的最终变量，可以在 Lambda 表达式中被安全捕获。

4.4、不可以捕获的情况

如果尝试在 Lambda 表达式中捕获一个不是事实上的最终变量，编译器将会报错：

public class LambdaCaptureExample {
    public static void main(String[] args) {
        int num = 10;
        num = 20;  
      	// 修改变量，使其不再是 effectively final
        Runnable r = () -> System.out.println(num);  // 编译错误
        r.run();
    }
}

因为 num 在初始化后被修改，它不是一个事实上的最终变量，因此不能被 Lambda 表达式捕获。

4.5、捕获实例变量

实例变量与静态变量不需要是事实上的最终变量，它们可以在 Lambda 表达式内部被修改：

public class LambdaCaptureExample {
    private static int staticNum = 5;
    private int instanceNum = 5;

    public void test() {
        Runnable r = () -> {
          	// 直接修改静态变量
            staticNum++;  
          	// 直接修改实例变量
            instanceNum++;
          	// 输出 12
            System.out.println(staticNum + instanceNum);  
        };
        r.run();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new LambdaCaptureExample().test();
    }
}

5、Lambda 在集合当中的使用

Java 8 在 Collection、List、Set、和 Map 接口中引入了多种新方法，这些方法大都利用 Lambda 表达式来提高编程效率和简化代码。

下面是这些接口中新增方法的详细介绍：

5.1、Collection 新增接口

Collection 接口是 List 和 Set 接口的父接口，因此在 Collection 中添加的方法也会影响到这两个接口。以下是新增的几个重要方法：

①、forEach(Consumer action) 对每个元素执行指定的动作。这是内部迭代的一种形式，可以替代外部迭代（即使用 for-each 循环）

collection.forEach(System.out::println);

②、stream() 返回集合的顺序 Stream 表达形式，可以进行更复杂的聚合操作

collection.stream().filter(e -> e.startsWith("A")).forEach(System.out::println);

③、parallelStream() 返回集合的并行 Stream 表达形式，用于并行处理集合元素，适用于数据量大时的场景

collection.parallelStream().filter(e -> e.startsWith("A")).forEach(System.out::println);

④、removeIf(Predicate filter) 根据指定的条件（Predicate 表达式）删除元素

// 删除所有空元素
collection.removeIf(e -> e.isEmpty());

⑤、spliterator() 提供了一种创建可分割迭代器（Spliterator）的方法，适用于 Stream 的并行分解

Spliterator<T> spliterator = collection.spliterator();

5.2、List 新增接口

除了继承自 Collection 接口的方法外，List 接口特有的新增方法主要包括：

①、sort(Comparator c) 根据指定的比较器对列表进行排序，此方法直接修改原列表

list.sort(Comparator.naturalOrder());

②、replaceAll(UnaryOperator operator) 根据指定的函数应用运算，替换每个元素

// 将所有字符串元素转换为大写
list.replaceAll(String::toUpperCase);  

5.3、Set 新增接口

Set 接口没有特别的新增方法，它继承了 Collection 接口的所有新增方法，这包括 forEach, stream, parallelStream, removeIf, 和 spliterator。

5.4、Map 新增接口

Map 接口在 Java 8 中增加了一系列非常有用的方法来简化常见的任务：

①、forEach(BiConsumer action) 对每个键值对执行指定的操作

map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));

②、replaceAll(BiFunction function) 将每个元素替换为函数的结果

map.replaceAll((key, value) -> value.toUpperCase());

③、computeIfAbsent(K key, Function mappingFunction) 如果键对应的值为 null，则尝试计算新的映射，并插入到 Map 中

map.computeIfAbsent("key", k -> "New " + k);

④、computeIfPresent(K key, BiFunction remappingFunction) 如果键存在，则使用给定的重新映射函数计算其值

map.computeIfPresent("key", (k, v) -> v + " Updated");

⑤、compute(K key, BiFunction remappingFunction) 对键进行重新计算，无论原来是否存在

map.compute("key", (k, v) -> (v == null) ? "New Value" : v + " Computed");

⑥、merge(K key, V value, BiFunction remappingFunction) 将键映射到给定值和当前值（如果已存在）的重新映射结果

map.merge("key", "New Value", (v1, v2) -> v1 + ", " + v2);

这些方法使得对集合进行操作更加灵活和强大，特别是在需要对集合进行批量操作、计算或条件更新时。通过这些工具，Java的集合库更加贴近现代编程需求，使得代码不仅更简洁，而且性能也有所提升。