你好,我是朱晔。
Java 8是目前最常用的JDK版本,在增强代码可读性、简化代码方面,相比Java 7增加了很多功能,比如Lambda、Stream流操作、并行流(ParallelStream)、Optional可空类型、新日期时间类型等。
这个课程中的所有案例,都充分使用了Java 8的各种特性来简化代码。这也就意味着,如果你不了解这些特性的话,理解课程内的Demo可能会有些困难。因此,我将这些特性,单独拎了出来组成了两篇加餐。由于后面有单独一节课去讲Java 8的日期时间类型,所以这里就不赘述了。
Java 8的特性有很多,除了这两篇加餐外,我再给你推荐一本全面介绍Java 8的书,叫《Java实战(第二版)》。此外,有同学在留言区问,怎么把Lambda表达式和Stream操作运用到项目中。其实,业务代码中可以使用这些特性的地方有很多。
这里,为了帮助你学习,并把这些特性用到业务开发中,我有三个小建议。
第一,从List的操作开始,先尝试把遍历List来筛选数据和转换数据的操作,使用Stream的filter和map实现,这是Stream最常用、最基本的两个API。你可以重点看看接下来两节的内容来入门。
第二,使用高级的IDE来写代码,以此找到可以利用Java 8语言特性简化代码的地方。比如,对于IDEA,我们可以把匿名类型使用Lambda替换的检测规则,设置为Error级别严重程度:
这样运行IDEA的Inspect Code的功能,可以在Error级别的错误中看到这个问题,引起更多关注,帮助我们建立使用Lambda表达式的习惯:
第三,如果你不知道如何把匿名类转换为Lambda表达式,可以借助IDE来重构:
反过来,如果你在学习课程内案例时,如果感觉阅读Lambda表达式和Stream API比较吃力,同样可以借助IDE把Java 8的写法转换为使用循环的写法:
或者是把Lambda表达式替换为匿名类:
Lambda表达式的初衷是,进一步简化匿名类的语法(不过实现上,Lambda表达式并不是匿名类的语法糖),使Java走向函数式编程。对于匿名类,虽然没有类名,但还是要给出方法定义。这里有个例子,分别使用匿名类和Lambda表达式创建一个线程打印字符串:
//匿名类new Thread(new Runnable(){@Overridepublic void run(){System.out.println("hello1");}}).start();//Lambda表达式new Thread(() -> System.out.println("hello2")).start();
那么,Lambda表达式如何匹配Java的类型系统呢?
答案就是,函数式接口。
函数式接口是一种只有单一抽象方法的接口,使用@FunctionalInterface来描述,可以隐式地转换成 Lambda 表达式。使用Lambda表达式来实现函数式接口,不需要提供类名和方法定义,通过一行代码提供函数式接口的实例,就可以让函数成为程序中的头等公民,可以像普通数据一样作为参数传递,而不是作为一个固定的类中的固定方法。
那,函数式接口到底是什么样的呢?java.util.function包中定义了各种函数式接口。比如,用于提供数据的Supplier接口,就只有一个get抽象方法,没有任何入参、有一个返回值:
@FunctionalInterfacepublic interface Supplier<T> {/*** Gets a result.** @return a result*/T get();}
我们可以使用Lambda表达式或方法引用,来得到Supplier接口的实例:
//使用Lambda表达式提供Supplier接口实现,返回OK字符串Supplier<String> stringSupplier = ()->"OK";//使用方法引用提供Supplier接口实现,返回空字符串Supplier<String> supplier = String::new;
这样,是不是很方便?为了帮你掌握函数式接口及其用法,我再举几个使用Lambda表达式或方法引用来构建函数的例子:
//Predicate接口是输入一个参数,返回布尔值。我们通过and方法组合两个Predicate条件,判断是否值大于0并且是偶数Predicate<Integer> positiveNumber = i -> i > 0;Predicate<Integer> evenNumber = i -> i % 2 == 0;assertTrue(positiveNumber.and(evenNumber).test(2));//Consumer接口是消费一个数据。我们通过andThen方法组合调用两个Consumer,输出两行abcdefgConsumer<String> println = System.out::println;println.andThen(println).accept("abcdefg");//Function接口是输入一个数据,计算后输出一个数据。我们先把字符串转换为大写,然后通过andThen组合另一个Function实现字符串拼接Function<String, String> upperCase = String::toUpperCase;Function<String, String> duplicate = s -> s.concat(s);assertThat(upperCase.andThen(duplicate).apply("test"), is("TESTTEST"));//Supplier是提供一个数据的接口。这里我们实现获取一个随机数Supplier<Integer> random = ()->ThreadLocalRandom.current().nextInt();System.out.println(random.get());//BinaryOperator是输入两个同类型参数,输出一个同类型参数的接口。这里我们通过方法引用获得一个整数加法操作,通过Lambda表达式定义一个减法操作,然后依次调用BinaryOperator<Integer> add = Integer::sum;BinaryOperator<Integer> subtraction = (a, b) -> a - b;assertThat(subtraction.apply(add.apply(1, 2), 3), is(0));
Predicate、Function等函数式接口,还使用default关键字实现了几个默认方法。这样一来,它们既可以满足函数式接口只有一个抽象方法,又能为接口提供额外的功能:
@FunctionalInterfacepublic interface Function<T, R> {R apply(T t);default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) {Objects.requireNonNull(before);return (V v) -> apply(before.apply(v));}default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {Objects.requireNonNull(after);return (T t) -> after.apply(apply(t));}}
很明显,Lambda表达式给了我们复用代码的更多可能性:我们可以把一大段逻辑中变化的部分抽象出函数式接口,由外部方法提供函数实现,重用方法内的整体逻辑处理。
不过需要注意的是,在自定义函数式接口之前,可以先确认下java.util.function包中的43个标准函数式接口是否能满足需求,我们要尽可能重用这些接口,因为使用大家熟悉的标准接口可以提高代码的可读性。
这一部分,我会通过几个具体的例子,带你感受一下使用Java 8简化代码的三个重要方面:
Lambda表达式可以帮我们用简短的代码实现方法的定义,给了我们复用代码的更多可能性。利用这个特性,我们可以把集合的投影、转换、过滤等操作抽象成通用的接口,然后通过Lambda表达式传入其具体实现,这也就是Stream操作。
我们看一个具体的例子。这里有一段20行左右的代码,实现了如下的逻辑:
private static double calc(List<Integer> ints) {//临时中间集合List<Point2D> point2DList = new ArrayList<>();for (Integer i : ints) {point2DList.add(new Point2D.Double((double) i % 3, (double) i / 3));}//临时变量,纯粹是为了获得最后结果需要的中间变量double total = 0;int count = 0;for (Point2D point2D : point2DList) {//过滤if (point2D.getY() > 1) {//算距离double distance = point2D.distance(0, 0);total += distance;count++;}}//注意count可能为0的可能return count >0 ? total / count : 0;}
现在,我们可以使用Stream配合Lambda表达式来简化这段代码。简化后一行代码就可以实现这样的逻辑,更重要的是代码可读性更强了,通过方法名就可以知晓大概是在做什么事情。比如:
下面的第三行代码,就实现了上面方法的所有工作:
List<Integer> ints = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8);double average = calc(ints);double streamResult = ints.stream().map(i -> new Point2D.Double((double) i % 3, (double) i / 3)).filter(point -> point.getY() > 1).mapToDouble(point -> point.distance(0, 0)).average().orElse(0);//如何用一行代码来实现,比较一下可读性assertThat(average, is(streamResult));
到这里,你可能会问了,OptionalDouble又是怎么回事儿?
其实,类似OptionalDouble、OptionalInt、OptionalLong等,是服务于基本类型的可空对象。此外,Java8还定义了用于引用类型的Optional类。使用Optional,不仅可以避免使用Stream进行级联调用的空指针问题;更重要的是,它提供了一些实用的方法帮我们避免判空逻辑。
如下是一些例子,演示了如何使用Optional来避免空指针,以及如何使用它的fluent API简化冗长的if-else判空逻辑:
@Test(expected = IllegalArgumentException.class)public void optional() {//通过get方法获取Optional中的实际值assertThat(Optional.of(1).get(), is(1));//通过ofNullable来初始化一个null,通过orElse方法实现Optional中无数据的时候返回一个默认值assertThat(Optional.ofNullable(null).orElse("A"), is("A"));//OptionalDouble是基本类型double的Optional对象,isPresent判断有无数据assertFalse(OptionalDouble.empty().isPresent());//通过map方法可以对Optional对象进行级联转换,不会出现空指针,转换后还是一个OptionalassertThat(Optional.of(1).map(Math::incrementExact).get(), is(2));//通过filter实现Optional中数据的过滤,得到一个Optional,然后级联使用orElse提供默认值assertThat(Optional.of(1).filter(integer -> integer % 2 == 0).orElse(null), is(nullValue()));//通过orElseThrow实现无数据时抛出异常Optional.empty().orElseThrow(IllegalArgumentException::new);}
我把Optional类的常用方法整理成了一张图,你可以对照案例再复习一下:
除了Stream之外,Java 8中有很多类也都实现了函数式的功能。
比如,要通过HashMap实现一个缓存的操作,在Java 8之前我们可能会写出这样的getProductAndCache方法:先判断缓存中是否有值;如果没有值,就从数据库搜索取值;最后,把数据加入缓存。
private Map<Long, Product> cache = new ConcurrentHashMap<>();private Product getProductAndCache(Long id) {Product product = null;//Key存在,返回Valueif (cache.containsKey(id)) {product = cache.get(id);} else {//不存在,则获取Value//需要遍历数据源查询获得Productfor (Product p : Product.getData()) {if (p.getId().equals(id)) {product = p;break;}}//加入ConcurrentHashMapif (product != null)cache.put(id, product);}return product;}@Testpublic void notcoolCache() {getProductAndCache(1L);getProductAndCache(100L);System.out.println(cache);assertThat(cache.size(), is(1));assertTrue(cache.containsKey(1L));}
而在Java 8中,我们利用ConcurrentHashMap的computeIfAbsent方法,用一行代码就可以实现这样的繁琐操作:
private Product getProductAndCacheCool(Long id) {return cache.computeIfAbsent(id, i -> //当Key不存在的时候提供一个Function来代表根据Key获取Value的过程Product.getData().stream().filter(p -> p.getId().equals(i)) //过滤.findFirst() //找第一个,得到Optional<Product>.orElse(null)); //如果找不到Product,则使用null}@Testpublic void coolCache(){getProductAndCacheCool(1L);getProductAndCacheCool(100L);System.out.println(cache);assertThat(cache.size(), is(1));assertTrue(cache.containsKey(1L));}
computeIfAbsent方法在逻辑上相当于:
if (map.get(key) == null) {V newValue = mappingFunction.apply(key);if (newValue != null)map.put(key, newValue);}
又比如,利用Files.walk返回一个Path的流,通过两行代码就能实现递归搜索+grep的操作。整个逻辑是:递归搜索文件夹,查找所有的.java文件;然后读取文件每一行内容,用正则表达式匹配public class关键字;最后输出文件名和这行内容。
@Testpublic void filesExample() throws IOException {//无限深度,递归遍历文件夹try (Stream<Path> pathStream = Files.walk(Paths.get("."))) {pathStream.filter(Files::isRegularFile) //只查普通文件.filter(FileSystems.getDefault().getPathMatcher("glob:**/*.java")::matches) //搜索java源码文件.flatMap(ThrowingFunction.unchecked(path ->Files.readAllLines(path).stream() //读取文件内容,转换为Stream<List>.filter(line -> Pattern.compile("public class").matcher(line).find()) //使用正则过滤带有public class的行.map(line -> path.getFileName() + " >> " + line))) //把这行文件内容转换为文件名+行.forEach(System.out::println); //打印所有的行}}
输出结果如下:
我再和你分享一个小技巧吧。因为Files.readAllLines方法会抛出一个受检异常(IOException),所以我使用了一个自定义的函数式接口,用ThrowingFunction包装这个方法,把受检异常转换为运行时异常,让代码更清晰:
@FunctionalInterfacepublic interface ThrowingFunction<T, R, E extends Throwable> {static <T, R, E extends Throwable> Function<T, R> unchecked(ThrowingFunction<T, R, E> f) {return t -> {try {return f.apply(t);} catch (Throwable e) {throw new RuntimeException(e);}};}R apply(T t) throws E;}
如果用Java 7实现类似逻辑的话,大概需要几十行代码,你可以尝试下。
前面我们看到的Stream操作都是串行Stream,操作只是在一个线程中执行,此外Java 8还提供了并行流的功能:通过parallel方法,一键把Stream转换为并行操作提交到线程池处理。
比如,如下代码通过线程池来并行消费处理1到100:
IntStream.rangeClosed(1,100).parallel().forEach(i->{System.out.println(LocalDateTime.now() + " : " + i);try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) { }});
并行流不确保执行顺序,并且因为每次处理耗时1秒,所以可以看到在8核机器上,数组是按照8个一组1秒输出一次:
在这个课程中,有很多类似使用threadCount个线程对某个方法总计执行taskCount次操作的案例,用于演示并发情况下的多线程问题或多线程处理性能。除了会用到并行流,我们有时也会使用线程池或直接使用线程进行类似操作。为了方便你对比各种实现,这里我一次性给出实现此类操作的五种方式。
为了测试这五种实现方式,我们设计一个场景:使用20个线程(threadCount)以并行方式总计执行10000次(taskCount)操作。因为单个任务单线程执行需要10毫秒(任务代码如下),也就是每秒吞吐量是100个操作,那20个线程QPS是2000,执行完10000次操作最少耗时5秒。
private void increment(AtomicInteger atomicInteger) {atomicInteger.incrementAndGet();try {TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}
现在我们测试一下这五种方式,是否都可以利用更多的线程并行执行操作。
第一种方式是使用线程。直接把任务按照线程数均匀分割,分配到不同的线程执行,使用CountDownLatch来阻塞主线程,直到所有线程都完成操作。这种方式,需要我们自己分割任务:
private int thread(int taskCount, int threadCount) throws InterruptedException {//总操作次数计数器AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();//使用CountDownLatch来等待所有线程执行完成CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);//使用IntStream把数字直接转为ThreadIntStream.rangeClosed(1, threadCount).mapToObj(i -> new Thread(() -> {//手动把taskCount分成taskCount份,每一份有一个线程执行IntStream.rangeClosed(1, taskCount / threadCount).forEach(j -> increment(atomicInteger));//每一个线程处理完成自己那部分数据之后,countDown一次countDownLatch.countDown();})).forEach(Thread::start);//等到所有线程执行完成countDownLatch.await();//查询计数器当前值return atomicInteger.get();}
第二种方式是,使用Executors.newFixedThreadPool来获得固定线程数的线程池,使用execute提交所有任务到线程池执行,最后关闭线程池等待所有任务执行完成:
private int threadpool(int taskCount, int threadCount) throws InterruptedException {//总操作次数计数器AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();//初始化一个线程数量=threadCount的线程池ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(threadCount);//所有任务直接提交到线程池处理IntStream.rangeClosed(1, taskCount).forEach(i -> executorService.execute(() -> increment(atomicInteger)));//提交关闭线程池申请,等待之前所有任务执行完成executorService.shutdown();executorService.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);//查询计数器当前值return atomicInteger.get();}
第三种方式是,使用ForkJoinPool而不是普通线程池执行任务。
ForkJoinPool和传统的ThreadPoolExecutor区别在于,前者对于n并行度有n个独立队列,后者是共享队列。如果有大量执行耗时比较短的任务,ThreadPoolExecutor的单队列就可能会成为瓶颈。这时,使用ForkJoinPool性能会更好。
因此,ForkJoinPool更适合大任务分割成许多小任务并行执行的场景,而ThreadPoolExecutor适合许多独立任务并发执行的场景。
在这里,我们先自定义一个具有指定并行数的ForkJoinPool,再通过这个ForkJoinPool并行执行操作:
private int forkjoin(int taskCount, int threadCount) throws InterruptedException {//总操作次数计数器AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();//自定义一个并行度=threadCount的ForkJoinPoolForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(threadCount);//所有任务直接提交到线程池处理forkJoinPool.execute(() -> IntStream.rangeClosed(1, taskCount).parallel().forEach(i -> increment(atomicInteger)));//提交关闭线程池申请,等待之前所有任务执行完成forkJoinPool.shutdown();forkJoinPool.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);//查询计数器当前值return atomicInteger.get();}
第四种方式是,直接使用并行流,并行流使用公共的ForkJoinPool,也就是ForkJoinPool.commonPool()。
公共的ForkJoinPool默认的并行度是CPU核心数-1,原因是对于CPU绑定的任务分配超过CPU个数的线程没有意义。由于并行流还会使用主线程执行任务,也会占用一个CPU核心,所以公共ForkJoinPool的并行度即使-1也能用满所有CPU核心。
这里,我们通过配置强制指定(增大)了并行数,但因为使用的是公共ForkJoinPool,所以可能会存在干扰,你可以回顾下第3讲有关线程池混用产生的问题:
private int stream(int taskCount, int threadCount) {//设置公共ForkJoinPool的并行度System.setProperty("java.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism", String.valueOf(threadCount));//总操作次数计数器AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();//由于我们设置了公共ForkJoinPool的并行度,直接使用parallel提交任务即可IntStream.rangeClosed(1, taskCount).parallel().forEach(i -> increment(atomicInteger));//查询计数器当前值return atomicInteger.get();}
第五种方式是,使用CompletableFuture来实现。CompletableFuture.runAsync方法可以指定一个线程池,一般会在使用CompletableFuture的时候用到:
private int completableFuture(int taskCount, int threadCount) throws InterruptedException, ExecutionException {//总操作次数计数器AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();//自定义一个并行度=threadCount的ForkJoinPoolForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(threadCount);//使用CompletableFuture.runAsync通过指定线程池异步执行任务CompletableFuture.runAsync(() -> IntStream.rangeClosed(1, taskCount).parallel().forEach(i -> increment(atomicInteger)), forkJoinPool).get();//查询计数器当前值return atomicInteger.get();}
上面这五种方法都可以实现类似的效果:
可以看到,这5种方式执行完10000个任务的耗时都在5.4秒到6秒之间。这里的结果只是证明并行度的设置是有效的,并不是性能比较。
如果你的程序对性能要求特别敏感,建议通过性能测试根据场景决定适合的模式。一般而言,使用线程池(第二种)和直接使用并行流(第四种)的方式在业务代码中比较常用。但需要注意的是,我们通常会重用线程池,而不会像Demo中那样在业务逻辑中直接声明新的线程池,等操作完成后再关闭。
另外需要注意的是,在上面的例子中我们一定是先运行stream方法再运行forkjoin方法,对公共ForkJoinPool默认并行度的修改才能生效。
这是因为ForkJoinPool类初始化公共线程池是在静态代码块里,加载类时就会进行的,如果forkjoin方法中先使用了ForkJoinPool,即便stream方法中设置了系统属性也不会起作用。因此我的建议是,设置ForkJoinPool公共线程池默认并行度的操作,应该放在应用启动时设置。
今天,我和你简单介绍了Java 8中最重要的几个功能,包括Lambda表达式、Stream流式操作、Optional可空对象、并行流操作。这些特性,可以帮助我们写出简单易懂、可读性更强的代码。特别是使用Stream的链式方法,可以用一行代码完成之前几十行代码的工作。
因为Stream的API非常多,使用方法也是千变万化,因此我会在下一讲和你详细介绍Stream API的一些使用细节。
今天用到的代码,我都放在了GitHub上,你可以点击这个链接查看。
关于Java 8,你还有什么使用心得吗?我是朱晔,欢迎在评论区与我留言分享你的想法,也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友或同事,一起交流。