Java-3-接口与lambda表达式

发表于 更新于 分类于 ， 阅读次数： 8 Valine：

接口是面向对象编程的重要概念，通过提供接口，我们可以在不提供具体实现的情况下规范程序的框架。对于只有一个抽象方法的接口，我们称之为 函数接口， 在 java 8 中，针对这一接口类型引入了 lambda 表达式。在 java 中引入了更加抽象的编程思想 - 函数式编程（functional program，比较有名的包括 Lisp语言，R 语言）。以上的内容，都在本节进行介绍。

A. 接口

接口的实质， 是服务提供者 和使用者（class 的对象）之间的一个协议。下面展示两组代码，分别是一个接口与它的实现类；另一个则是

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
//Demo1: 接口与它的实现类
public interface IntSequence{
    boolean hasNext(); //判断下个数是否为整数
    int next();     //下个数字的值
    int ZERO = 0;
}
//接口的实现类
public class SquareSequence implements IntSequence{
    private int i;
    public boolean hasNext(){
        return true;
    }
    public int next(){
        i++;
        return i * i;
    }
}
//Demo2: 接口的继承
public interface Closeable{
    void close();
}
public interface Channel extends Closeable{
    boolean isOpen();
}
//实现多个接口
public class FileSequence implements IntSequence, Closeable{
    ...
}

接口定义使用 关键字 interface ，可以使用 extends 关键字继承其它的接口（Demo2）。

在接口中定义的 变量 默认都是 public static final 类型。Note：不推荐在 interface 中添加 instance 的变量，一般 interface 中只规定方法。

所有接口中的 方法 都是默认为 public 的，因此可以不写 public 权限说明。此外，接口中的方法默认为 abstract 方法（也就是没有函数内容的方法）,不需要使用 abstract 关键字 进行修饰。

需要注意的是，对于早期的 java 版本，interface 内部只允许有 抽象方法， 但是在新的 java 版本中， 我们允许向 interface 中添加 3 种另外的方法。

a. 接口中的非抽象方法

从 Java 8 开始，我们被允许在 接口中添加3类方法的具体实现：static，default and private 方法。

Static 方法：可以配合工厂方法使用。如下.

1
2
3
4
5
6
public interface IntSequence{
    ...
    Static IntSequence digitsOf(int n){
        return new DigitSequence(n);
    }
}

从而调用者不用关心接口的具体实现类。

Note:过去，静态方法通常放在所谓 companion class中，例如：Collection/Collections, Path/Paths, 但现在没有必要再如此如此处理了。

Default methods：在 接口中，我们可以通过 default 关键字，为接口中方法做一个 default 的实现，这个实现是基础的，在实现该接口的类中可以被 复写（override）。

1
2
3
default void test(int a){ 
    //... content
}

这个功能对于软件的兼容性很有意义。例如我们向 Java 库的某个接口中添加了一个方法，老的程序编译就会报错。而提供一个 default 的实现，就不会出现前述问题。

Private methods: Java 9 允许 interface 中有 private methods，但同类中的private methods 一样，它只能供接口内部的方法使用。

b. 接口的实现

类可以实现一个接口，通过关键字，implements 实现。当我们编写一个类实现一个接口，则在类中需要重写 接口中所有的抽象方法。而如果实现类方法仅仅实现了接口的部分方法， 这个实现类需要添加修饰词 abstract。

需要注意的是，不同于 interface 中 我们默认所有的方法为 public 的 从而不用添加 public 关键字进行说明，接口实现类中，我们必须在方法前面添加上 public 关键字，否则会报错。因为对于 class，默认的权限为 package 级，而接口需要 public 权限。（试想：我们可以将一个接口实现类的实例声明为接口类型，这时候，如果方法的权限不相同，会引发矛盾。）

不同于一个类只能有一个超类，一个类可以继承多个接口。

c. 变量声明为接口类型

一个接口的实现类的实例 声明时可以声明类型为该接口，例如上面的 IntSequence squareSeq = new SquareSequence();. 这里 IntSequence 为超类型（superType），SquareSequence 为子类型（subType）。

Cast 用于类型转换：我们可以使用 强制类型转换将一个 超类型的对象 转为 子类型。在这之前，为了转换的安全，我们可以通过 instanceof operator 判断对象是否为所要转换类型的子类型。i.e. object instanceof Type, 该表达式返回 true 如果 后面的 Type 是 object 对应的类的类型或 superType。

d. Java类库中典型接口举例

为了更好的了解 Interface 的用处，在这里举一些常用的 interface 的例子。

Comparable interface：为了使得比较同一个类的任意两个对象成为可能，我们需要规定对象之间的比较方法。因此，Comparable 接口规定了对象之间比较的标准形式。

1
2
3
public interface Comparable<T>{
    int comparaTo(T other);
}

对于一个特定的实现了 Comparable 接口的类，我们要在其中复写这个 comparaTo() 方法。可见，该方法返回一个整型值，我们可以将两个对象的某个 ID 值相减或者使用 Integer.compare or Double.compare 方法比较 ID 值，最终返回一个可以反映两个对象大小关系的整数值。

Java 类库中的许多类都实现了 Comparable 接口，例如 String 类。对于实现了该接口的方法，我们可以使用 Arrays.sort() 方法对他们进行排序。

Comparator interface: Comparable 接口是在排列对象所在的类中实现的，例如 String 类 就实现了该接口- 按照子母表顺序进行排列。但是如果我们需要自定义另一种 String 的排序方法，例如按照字符串长度 进行排序，如果仍要使用 Arrays.sort() 方法，就需要通过实现 Comparator 接口来实现。该接口定义如下：

1
2
3
public interface Comparator<T>{
    int compare(T first, T second);
}

实现该接口的字符串比较类如下：

1
2
3
4
5
class LengthComparator implements Comparator<String>{
    public int compare(String first, String second){
        return first.length() - second.length();
    }
}

最后，我们就可以通过调用 Arrays.sort(字符串数组, new LengthComparator()) 来实现字符串按长度比较排序。

Runnable Interface：对于多核系统，我们希望一些任务在一个分割开的线程中运行，这时，就需要用到 Runnable 接口，该接口仅有一个函数run()。我们使用一个类作为示例：

1
2
3
4
5
6
7
class HelloTask implements Runnable{
    public void run(){
        for(int i = 0;i < 1000; i++){
            system.out.println("Hello World!");
        }
    }
}

如果想在一个新的线程中执行该 task，通过 Runnable 生成一个对象，然后通过线程类启动该对象，如下。

1
2
3
Runnable task = new HelloTask();
Thread thread = new Thread(task);
thread.start();

这样，run 方法可以在一个分离的线程中执行。从而可以实现多线程并行工作。

B. Lambda表达式

lambda表达式 实际上 是函数式编程的一种 表达式。关于 lambda 表达式，更多的可以参考：关于lambda表达式，看这一篇就够了

a. 语法

在前面的例子中，我们实现了 Comparator 接口，复写了其中的 compare() 方法。在这里，我们可以将那一部分以 lambda表达式 的形式展现出来。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
(String first, String second) -> first.length() - second.length()

/**
如果参数的类型可以推断出来，可以省略。
如果只有一个参数，并且类型可以推断，括号也可以省略
*/
Comparator<String> comp = (first, second) -> first.length() - second.length(); 

/** 
如果函数功能有多行，我们使用 {} 包裹函数部分,
并使用 return specify 返回值。
*/
(String first, String second) ->{
    int difference = first.length() - second.length();
    if (difference < 0) return -1;
    else if(difference > 0) return 1;
    else return 0;
}

/** 
如果函数无参数，直接使用 ()
*/
Runnable task = () -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) doWork();}

b. 使用条件

我们可以看到，Lambda表达式 实际上是描述了一个函数，-> 前面为函数的 形参， -> 后面则是 函数的内容。 因此，在 Java 中，它可以放置在本应传入一个 functional interface(函数接口，只有一个抽象方法的接口) 对象 的地方。一个例子如下：

1
Arrays.sort(words, (first, second) -> first.length() - second.length());

原先，上述 Arrays.sort() 函数应该接收的参数是一个实现了 Comparator<String> 接口，复写了 compare 方法的的类的实例，使用 lambda表达式 可以省略书写接口名，方法名，生成显性实例的过程，而只要写出传入的参数和 compare 函数的内容。

相对来说，java 中的 lambda表达式的自由度相对较低，它只可以放在本应摆放 functional interface 实例的地方，从而编译器可以通过 lambda表达式 生成主类的一个私有方法，来实现需要传入接口的抽象方法。

Java 标准库中 提供了很多的函数接口，我们在需要使用 函数表达式的时候，优先考虑使用现有接口的形式，来构建我们的 lambda表达式。无法实现时，我们也可以自己写一个函数接口 来协助使用 lambda表达式。

常见的 函数接口包括：Runnable, Supplier<T>, Consumer<T>, Function<T,R> …

常见的用于基本数据类型的 函数接口， BooleanSupplier, IntSupplier, IntConsumer, IntPredicate …

c. Lambda表达式中的变量的作用范围

Lambda表达式 中的变量 与 嵌套代码块中变量的作用域一致，也就其作用域是在同一个类中。如下例子：

1
2
3
4
5
public class Application(){
    public void doWork(){
        Runnable runner = () -> {...; System.out.println(this.toString()); ...};
    }
}

对于上面代码中， this.toString() this指代的是 Application 类的实例，而不是隐性构造的 Runnable 的实例。

Lambda表达式中的变量范围是 它所在的 enclosing scope。本质上讲，lambda表达式 等价于生成了一个类的实例，故其中的变量类似于一个类的内部的变量，只是对于 lambda表达式而言，这些变量是从外部获取的。对于这一特殊的机制，我们称为 捕获（capture）。

由于捕获的机制，lambda表达式中所使用的来自外部的变量 必须为 constant（声明为final 或者等效是final的量）。下面看两个例子说明：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
/**
会报错。因为 i 的值在不断变化，lambda表达式无法 capture 这个值
*/
for(int i = 0; i< n; i++){
    new Thread(()-> System.out.println(i)).start();
    // error, 无法捕获 i 
}

/**
与上面例子类似，但是由于 升级型 for 语句的特性：
每一个循环都生成一个 变量 arg
不会报错。
*/
for(String arg : args){
    new Thread(()-> System.out.println(arg)).start();
}

此外，还需要注意的是，在 lambda表达式中，这些被 捕获 下来的变量，不允许在表达式中进行变更，也很好理解，本来就要求这些量为 final（or: effectively final）。

d. 使用Lambda表达式的好处

表达更加简洁

上面的例子中可以发现，使用 lambda表达式 可以省略不写接口名，接口方法名。

延迟执行

使用 Lambda表达式 可以 延迟执行 (deferred exxcution) 部分不必要立即执行的代码，这样的延迟执行通常发生在下面的情况中：

  • 在分割的线程中执行程序；
  • 多次运行代码；
  • 在算法中特定的位置运行代码；
  • 某一动作发生后执行代码 - 例如 android 的 listener。
  • …

具体可以参考下面这篇博文中的例子。(Ref)

高阶函数

这里的 “高阶函数” 是指 处理函数 或者 返回值为函数 的函数。具体做法是将函数的返回值的类型 定为一个函数接口类型， 然后在 return 部分利用 lambda表达式 实现 返回的接口的抽象方法。参考下面的例子：

1
2
3
4
5
6
//函数1 - 可选择排序-正序or倒序
public static Comparator<String> compareInDirection(int Direction){
    return (x,y) -> direction * x.compareTo(y);
}
//调用, 进行 倒序 排列
Arrays.sort(friends, compareInDirection(-1));

上面的例子的作用是直接将 函数 作为返回值返回给 Comparator<String> 来重写它的 compare 方法。

1
2
3
4
5
6
//函数2- 函数排序反向
public static Comparator<String> reverse(Comparator<String> comp){
    return (x,y) -> comp.compare(y,x);
}
//调用
reverse(String::compareToIgnoreCase)

Comparator 接口的的默认的 reversed 方法就是类似的方法进行的实现。

Comparator 方法 中的 comparing 方法可以将一个不可比较的对象按照规定的函数返回值进行比较 （称为 “key extractor”, 从 object 中 extract 一个 key， 即将 type T 的对象转变为 可比较的 type）。看下面的例子：

1
2
3
4
//依据人的姓氏进行排序
Arrays.sort(people, Comparator.comparing(Person::getLastName));
//如果姓氏相同，依据名字排列
Arrays.sort(people, Comparator.comparing(Person::getLastName).thenComparing(Person::getFirstName));

C. 方法引用

（Method References）方法引用 同样也是 Java 8 中引入的新的机制，相比于 lambda表达式，方法引用的语法更加简洁，它进一步省略掉了 函数参数列表的书写，将这一部分的工作交由 java 编译器的推断机制处理。

例子1：一个对字符串进行忽略大小写的排序例子如下。

1
2
3
Arrays.sort(strings, (x,y) -> x.compareToIgnoreCase(y));
//下述方法等价于上面的 lambda表达式。下面的方法称为 “函数引用” 方法。
Arrays.sort(strings, String::compareToIngoreCase);

例子2： Objects 类中的 isNull() 函数，语法为: Objects.isNull(x), 返回 x == null
的值。对于移除列表中为 null 的元素的任务，使用函数引用可以表达为：

1
list.removeIf(Objects::isNull);

例子3：对于顺序打印列表中元素的任务，使用 lambda表达式 和函数引用 分别实现，如下：

1
2
3
list.forEach(x -> System.out.println(x));   //lambda表达式
list.forEach(System.out::println);      //函数引用

总结起来，一共有如下三种形式：

1
2
3
Class::instanceMethod   //例子1
Class::staticMethod     //例子2
object::instanceMethod  //e.g. `this::equals`

Constructor References

Constructor reference 与method reference 非常类似，只是这里的函数式构造函数，从而会有一些需要特别注意的地方。构造函数引用格式为 Employee::new.

参看例子: Stream<Employee> stream = names.stream().map(Employee::new);.

上述语句构造了一个 职员列表，每个职员的名字新建一个对象。（stream 的内容后续介绍）

此外，还可以用 构造函数引用 新建数组，int[]::new,等价于 lambda 表达式 n -> new int[n]。

D. 本地类与匿名内部类

在 Java 引入 lambda 表达式之前，Java 中也有类似的隐式的显示接口的方式，不同于 lambda 表达式，这些内容同样适用于非 functional 的interface。

Local Classes（本地类）在一个 方法中 定义一个类。使用的场景可以参考下面这个例子：

1
2
3
4
5
6
7
8
//该方法的作用是生成一个给定上下限值，而长度无限的随机数组。
public static IntSequence randomInts(int low, int high){
    class RandomSequence implements Intsequence{
        public int next(){return low + generator.nextInt(high - low + 1);}
        public boolean hasNext(){return true;}
    }
    return new RandomSequence();
}

可以看到该方法要求返回一个 IntSequence 类型的对象，而 IntSequence 实际上是一个接口类型。因为对象必须为类的实例，而在这里，我们并不关心类的内容，而只需要该类实现了 IntSequence 接口。

对于这种不关心 具体接口实现类 的的情况，我们可以使用上述的本地类来实现。这样做的好处是，首先我们不再关心 local classes 的类名；其次，local classes 类的作用域为包裹它的类，可以直接使用其中的变量，和 lambda 表达式的捕获机制类似（因此，只能使用外部的 final 类型的变量）。

需要注意的是，本地类（也有叫方法内部类）只能在所在的方法的内部进行实例化。

Anonymous Classes(匿名类) 与 lambda表达式类似，语法为：new Interface() {methods}. 比 lambda 表达式需要多写一个 接口名。但是他可以用于非函数接口（也就是有多个抽象方法的接口）。