1、概述

在計算機科學(xué)中，函數(shù)式編程是一種編程范式，一種構(gòu)建計算機程序結(jié)構(gòu)和元素的方式，類似于比較熟悉的面向?qū)ο缶幊?。將計算視為?shù)學(xué)函數(shù)的處理并盡量避免改變狀態(tài)和可變數(shù)據(jù)。它是一種聲明性編程范例，這意味著使用表達(dá)式或聲明而不是語句來完成編程。在功能代碼中，函數(shù)的輸出值僅取決于傳遞給函數(shù)的參數(shù)，因此用參數(shù)x的相同值調(diào)用函數(shù)f兩次會產(chǎn)生相同的結(jié)果f（x）。這與依賴于本地或全局狀態(tài)的過程形成對比，當(dāng)使用相同的參數(shù)但使用不同的程序狀態(tài)時，有可能在不同的時間產(chǎn)生不同的結(jié)果。不依賴于函數(shù)輸入的狀態(tài)變化，就可以使得更容易理解和預(yù)測程序的行為，這是開發(fā)函數(shù)式編程的關(guān)鍵動機之一。

和Java沒有任何關(guān)系的語言JavaScript就是一個函數(shù)編程語言。Java最初被設(shè)計出來是作為一門面向?qū)ο缶幊陶Z言來設(shè)計的。但是隨著時代的變化，異步處理在編程中變得越來越頻繁。在現(xiàn)代編程語言中，任何可并行操作希望是一個簡單的動詞，開發(fā)者不僅希望能處理并發(fā)問題，并且必須能夠使用這些動詞而無需任何復(fù)雜的實現(xiàn)。對象都可以根據(jù)并發(fā)動詞進行演變。所以在Java8中帶有用于異步任務(wù)的動詞，例如CompletableFuture和用于并行處理的CoolJoinPool等結(jié)構(gòu)。異步編程需要隔離的編程單元，使用隔離的編程單元，可以保證結(jié)果，這種隔離的編程單元稱為“純函數(shù)”。如果在程序中使用純函數(shù)，那么可以理解為在進行函數(shù)式編程。而異步處理的這種需求，正好非常適合用函數(shù)編程來解決，這也促使來Java 需要支持函數(shù)式編程。Java8 正好做了相關(guān)的支持。在Android開發(fā)中經(jīng)常使用的Rx系列也采取了函數(shù)式編程的理念。

2、相關(guān)前置概念討論

2.1 純函數(shù)

純函數(shù)不依賴于任何其他對象實例或類定義。在Java中，如果對象實例是實例函數(shù)，則該函數(shù)必須存在于對象實例中，如果它是靜態(tài)的，則必須存在于類定義上。所以說，嚴(yán)格來講Java里面其實是沒有純函數(shù)的。同時純函數(shù)的輸出可以是一個函數(shù)。

2.2 函數(shù)程序外觀

Java代碼下面處理一個CSV文件數(shù)據(jù)。每行通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或搜索，過濾，排序數(shù)據(jù)來輸出新的結(jié)果集。

try(Stream<String> stream = Files.lines(Paths.get(fileName)) ){

    stream

        .limit(10)

        .map(t->t.split(","))

        .flatMap(Arrays::stream)

        .collect(Collectors.groupingBy(Function.identity(),Collectors.counting()))

        .entrySet().stream()

        .filter(t -> t.getValue()>10)

        .forEach(t->System.out.println(t.getKey()+" "+t.getValue()));

}catch(IOException e ){}

上面的代碼過濾了一些大于10的數(shù)據(jù)。里面的語法用到了很多Java里面的新語法，之后會進行討論，可以認(rèn)為大于10的數(shù)據(jù)會被某些東西過濾掉。這里沒有如何過濾數(shù)據(jù)的操作，只是按照需求一步步的進行操作。在傳統(tǒng)的程序中，可能需要遍歷列表，將每個項目與某些項目進行比較，如果正確，則將其放入目標(biāo)列表。但這看到這樣的東西嗎，因為這里不使用命令式編程，而是使用聲明性編程。此外，在此代碼中看不到任何for循環(huán)。因為函數(shù)式編程不使用迭代和迭代器，而使用遞歸。

3、對象不可變

相同引用可以指向的不同對象是面向?qū)ο缶幊痰幕灸芰χ?。但在函?shù)式編程中，對象必須是不可變的，即使有權(quán)訪問對象，也必須無法根據(jù)需要對其進行修改。因為可變性是多線程環(huán)境中出現(xiàn)錯誤的主要原因。任何線程都可能意外地更改對象的狀態(tài)，從而導(dǎo)致程序出錯。為了防止這種情況，使用synchronized關(guān)鍵字，Barrier類，互斥體，信號量，鎖等。但所有這些實現(xiàn)都很麻煩，甚至可能會導(dǎo)致死鎖，線程匱乏等問題。因此，如果為了同步而導(dǎo)致這些問題并且解決起來如此費勁，為什么不能直接消除其可變性，來一勞永逸。這就是在函數(shù)式編程中所做的。

在下面的代碼中，創(chuàng)建了一個健身房會員對象，會員開始日期與會員數(shù)據(jù)一起存儲。這里，printEndDate()和printStartDate()方法都具有訪問和修改startDate值的能力。它在不考慮任何其他方法的情況下能修改原始日期對象。

public class GymMember {

        String name;

        Integer id;

        Date startDate;

        public GymMember(String name, Integer id, Date date) {

                super();

                this.name = name;

                this.id = id;

                this.startDate = date;

        }

        public static void main(String[] args) {

                GymMember object = new GymMember("talha", 1, new Date());

                object.printEndDate();

                object.printStartDate();

        }

        private void printEndDate() {    

                Calendar calendar = Calendar.getInstance();

                calendar.setTime(startDate);

                calendar.add(Calendar.MONTH,1);

                startDate = calendar.getTime(); 

                System.out.println(startDate);

        }

        private void printStartDate() {

                System.out.println(startDate);

        }

}

為了防止上面的隨意修改，可以將startDate屬性設(shè)置為final

final Date startDate;

當(dāng)這時候在在其中一個方法中更改startDate時，編譯器將報錯。但這樣設(shè)置并不能完全將startDate設(shè)置為不可變。final僅阻止修改引用，使之無法更改此引用引用的地址。但仍然可以更改引用指向的對象的屬性。仍然可以更改startDate的屬性值，即使它被final修飾。所以在并行環(huán)境中使用它仍然可能不安全。為此Java8 中對于Data類提供了一個不可變類LocalDate。同時為了防止GymMember類通過子類注入的方式改變其屬性，比如如下：

public class VIPGymMember extends GymMember {

        public VIPGymMember(String name, Integer id, LocalDate date) {

                super(name, id, date);

                id = id + 1000000;

        }

}

需要將類設(shè)置為final可以阻止這類事情的發(fā)生，下面是一個最終版的：

public final class GymMember {

        final String name;

        final Integer id;

        final LocalDate startDate;

        private void printEndDate() {

                Calendar calendar = Calendar.getInstance();

                calendar.add(Calendar.MONTH,1);

                System.out.println(startDate);

        }    

        public GymMember(String name, Integer id, LocalDate date) {

                super();

                this.name = name;

                this.id = id;

                this.startDate = date;    

        }

        private void printStartDate() {

                System.out.println(startDate);

        }

}

如上面的Data，Java8 中提供了許多不可變的對象，例如JDK架構(gòu)師為每個集合提供不可變版本?？梢允褂眠@些不可變集合類型并使用Collections實用程序類轉(zhuǎn)換可變集合，如下所示：

public static void main(String[] args) {

        final Map<Integer, String> myMap = new HashMap<>();

        Map myUnmodifiableMap = Collections.unmodifiableMap(myMap);

        myMap.put(2, "talha");

        addElement(myUnmodifiableMap); // 會報錯

}

public static void addElement(Map m) {

        m.put(3, "john");

}

如上所示，使用Collections的 unmodifiableMap方法使Map不可變?？梢栽俅问褂肕ap引用此方法的結(jié)果。但是此集合初始化后，永遠(yuǎn)不允許修改。

綜上所述，主要討論了使用final關(guān)鍵字使自定義對象不可變。final關(guān)鍵字用于;

① 防止對象的地址更改

② 防止對象實例的屬性的地址更改

③ 防止類被子類繼承

同時還討論了JDK集合和Date API是可變的。但是在在函數(shù)式編程中這是不可接受的。于是在Java8中出現(xiàn)了LocalDate類來替換Date類并將可變Map，List，Set接口用不可變類替換?？梢酝ㄟ^使用java.util.Collections類的unmodifiableMap（），unmodifiableCollection（）和unModifiableSet（）等方法來獲取不可變集合。

4、引用函數(shù)

函數(shù)是函數(shù)式編程中的一等公民。這句話可以說是函數(shù)式編程中最關(guān)鍵的一句話。但比較遺憾的是在Java中函數(shù)并不是一等公民，類或者說對象才是一等公民。Java中的函數(shù)是不能脫離類或者對象而存在的。但是在Java8中通過一些巧妙的方法將函數(shù)變成了偽一等公民。而在比較新的一門語言Kotlin中函數(shù)就正式成為了一等公民。

函數(shù)不能作為參數(shù)傳遞給Java 8之前的其他函數(shù)。在Java8函數(shù)可以作為一種偽獨立對象調(diào)用，它們可以作為偽參數(shù)傳遞給其他函數(shù)。它其實是一個只有一個接口函數(shù)的接口類。在Java8中增加了一些語法糖，使它看上去像一個函數(shù)對象，這會在下面進行討論。

同時在Java8中可以用“ ：：” 來表示引用此函數(shù)，可以通過此表示法訪問類或?qū)嵗臉?gòu)造函數(shù)和方法。同時可以用Supplier和Function接口來引用對應(yīng)的構(gòu)造函數(shù)和方法，以上面的GymMember類為例。

public GymMember() {

        this.name = "gpj";

        this.id = 0;

        startDate =  LocalDate.MIN;

    }

public Date getNextDay(Date date) {

        Calendar calendar = Calendar.getInstance();

        calendar.setTime(date);

        calendar.add(Calendar.DAY_OF_YEAR, 1);    

        Date dateNew = calendar.getTime();

        return dateNew;

}

public static void main(String[] args) {

        Supplier<GymMember> memberCreator = GymMember::new;

        GymMember mGymMember = memberCreator.get();

        Function<Date, Date> nextDayCalculator = mGymMember::getNextDay;

        nextDayCalculator.apply(new Date());

}

在上面的main函數(shù)中第一行用了GymMember::new來獲取GymMember的構(gòu)造函數(shù)，左側(cè)是一個特殊的SAM（單一抽象方法），下面將討論，并用于引用一個沒有輸入但返回一個對象的函數(shù)。將其引用賦值給memberCreator引用。第二行通過這個引用來構(gòu)造對象。第三行獲取了GymMember的getNextDay 賦值給Function類型nextDayCalculator。這里的Function 第一個泛型是函數(shù)輸入類型，第二個是輸出參數(shù)類型。Function這個類型只有一個輸入，這邊對于這個設(shè)計可以給的一個解釋是 純函數(shù)的性質(zhì)和形式定義來講，必須有且只有一個輸入?yún)?shù)。第四行使用apply方法來獨立調(diào)用一個函數(shù)并獨立地提供輸入?yún)?shù)，可以理解為此時該函數(shù)是剝離于對象的。

4.1 單一抽象方法接口（SAM）

前面已經(jīng)多次提到了這個概念，在Java中實際上是不存在脫離于對象的函數(shù)的。于是為了滿足函數(shù)式編程，設(shè)計了單一抽象方法接口來進行模擬。其實在Java8之前就有許多單一抽象方法接口，比如說Runnable，Callable，Comparator和ActionListener等。他們的相似之處在于，當(dāng)實現(xiàn)其中任何一個時，只需處理此接口的一種方法。其他方法對開發(fā)者來說并不重要。在實現(xiàn)此特定方法（此方法默認(rèn)情況下未實現(xiàn)，即abstract）之后，將傳遞實現(xiàn)這些接口的類的新實例。

在Java 8中，幾個SAM接口和SAM接口的新表示（Lambda表達(dá)式）被添加到JDK中。使用lambda表達(dá)式（后面會討論），不再需要創(chuàng)建一個類來包裝所需的方法并調(diào)用它。因為從開發(fā)者層面講可以引用方法并獨立調(diào)用它。所有這些SAM接口都可以在Stream API中使用。以下是Java8中新的SAM接口：

下面會分別對這些類進行討論。

4.2 Function

Function可視化

這個函數(shù)用于基于給定輸入和邏輯創(chuàng)建輸出對象，并可能與其他函數(shù)鏈接?？梢灾貙懫鋋pply（）方法。也是需要實施的唯一方法。

4.3 Predicate

測試數(shù)據(jù)是否符合某些值或邏輯。其test（）是需要實現(xiàn)的單一抽象接口。已經(jīng)實現(xiàn)了其他方法。

Predicate可視化

4.4 Consumer

獲取一個對象，使用但不返回。它可能有副效果，例如更改對象的值或?qū)⒛承┹敵鰧懭肽程帯?/p>

Consumer 可視化

4.5 Supplier

通過構(gòu)造函數(shù)或其他方式（構(gòu)建器，工廠等）提供給定類型的實例。

Supplier 可視化

5、Lambda表達(dá)式

在上一節(jié)中，討論了Functional Interface。由于這些實際上都是接口類，所以實現(xiàn)起來需要實現(xiàn)多行代碼，這個函數(shù)式編程里面的單行編程理念所違背。于是在Java8中也同時推出了Lambda表達(dá)式用來簡化需要編寫的代碼。以上一節(jié)的Function為例，原始的實現(xiàn)方法如下：

Function<String, Integer> findWordCount = new Function<String,Integer>(){

        @Overide

        public Integer apply(String t){

                return t.split(" ").length;

        }

}

使用Lambda表達(dá)式實現(xiàn)上述接口類

Function<String, Integer> findWordCount  = （String t）->{  return t.split(" ").length; };

上面的Lambda表達(dá)式刪除了匿名類外殼，只留下了剩余的部分。Lambda表達(dá)式一般由如下部分組成：

① 在括號內(nèi)輸入?yún)?shù)

② - > lambda簽名

③ 返回單個結(jié)果的方法體

如果輸入列表只有一個項目，則可以刪除括號

Function<String, Integer> findWordCount  = t ->{ return t.split(" ").length; };

下面是一些常見的lambda表達(dá)式語法:

lambda表達(dá)式的右側(cè)是方法體。如果更喜歡使用return關(guān)鍵字，則必須遵循方法體語法并使用分號和花括號。但是如果喜歡語法糖，可以刪除花括號和return關(guān)鍵字，如第三個表達(dá)式所示,但這種情況下必須是方法體里面只有一句代碼。

上面的例子在復(fù)制號右側(cè)編寫了一個方法體。JDK會自動檢查方法的輸入和輸出參數(shù)，并使用適當(dāng)?shù)腇unctional Interface類型包裝此方法。比如如下lambda表達(dá)式：

t - > t％2 == 0

這個lambda表達(dá)式是符合上一節(jié)所說的Predicate接口的，所以可以用Predicate來引用該表達(dá)式。

Predicate<Integer> predicate = t -> t % 2 == 0;

boolean isEven = predicate.test(5);

6、Stream API

在前面第二節(jié)舉的關(guān)于函數(shù)式編程的例子里面用的就是Stream API，這個API也是在Java8新出的。這是一個非常經(jīng)典的用于函數(shù)式編程的思想來進行處理的API，主要用來處理集合結(jié)構(gòu)。這個API可以理解為將數(shù)據(jù)倒入到一個管道中，在整個管道中一些過濾器過濾掉不正確的項目，一些處理器轉(zhuǎn)換項目，一些根據(jù)某些邏輯對它們進行分組，一些數(shù)據(jù)在整個管道中流式傳輸時計算一個值。

Stream 模擬

類似上圖所示在流開始處，獲取一些塑料球作為數(shù)據(jù)源，過濾紅色球，將其融化并將其轉(zhuǎn)換為隨機三角形。之后過濾器過濾掉小三角形。最后計算出總周長。

使用常規(guī)Collection執(zhí)行此操作意味著多次迭代，多次函數(shù)調(diào)用。使用常規(guī)Collection，無法并行化該過程。并且只能處理有限數(shù)量的對象。如果數(shù)據(jù)源是無限流式傳輸?shù)?，則在Java8之前就無法很好的進行處理。而采用Stream API就能很好的解決這些問題，其優(yōu)點在于：

① 可以處理來自源的無限數(shù)量的對象

② 具有函數(shù)式編程風(fēng)格

③ 能使用前面所說的Functional Interface

在Stream中，可以依次連接幾個處理器。最后一個用于產(chǎn)生結(jié)果。此結(jié)果可能是示例中的標(biāo)量值，也可能是全新的集合，例如List或Map。最后一個操作稱為終端操作，因為它終止了流進程。其他處理器稱為中間操作。終端操作后，無法再次使用該流，也無法再使用Stream的其他中間操作。

以下是中間操作：

以下是終端操作