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31 | 加餐1：带你吃透课程中Java 8的那些重要知识点（一）

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。

如何在项目中用上Lambda表达式和Stream操作？

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

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(){
    @Override
    public 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：

@FunctionalInterface
public 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abcdefg
Consumer<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：

@FunctionalInterface
public 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。

使用Java 8简化代码

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：

• 使用Stream简化集合操作；
• 使用Optional简化判空逻辑；
• JDK8结合Lambda和Stream对各种类的增强。

使用Stream简化集合操作

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：

• 把整数列表转换为Point2D列表；
• 遍历Point2D列表过滤出Y轴>1的对象；
• 计算Point2D点到原点的距离；
• 累加所有计算出的距离，并计算距离的平均值。

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：

• map方法传入的是一个Function，可以实现对象转换；
• filter方法传入一个Predicate，实现对象的布尔判断，只保留返回true的数据；
• mapToDouble用于把对象转换为double；
• 通过average方法返回一个OptionalDouble，代表可能包含值也可能不包含值的可空double。

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？

有关Optional可空类型

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Optional
    assertThat(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：

Java 8类对于函数式API的增强

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Value
    if (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Product
        for (Product p : Product.getData()) {
            if (p.getId().equals(id)) {
                product = p;
                break;
            }
        }
        //加入ConcurrentHashMap
        if (product != null)
            cache.put(id, product);
    }
    return product;
}

@Test
public 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
}

@Test
public 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。

@Test
public 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：

@FunctionalInterface
public 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。

并行流

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Thread
    IntStream.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ForkJoinPool
    ForkJoinPool 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ForkJoinPool
    ForkJoinPool 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。

重点回顾

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。

思考与讨论

1. 检查下代码中是否有使用匿名类，以及通过遍历List进行数据过滤、转换和聚合的代码，看看能否使用Lambda表达式和Stream来重新实现呢？
2. 对于并行流部分的并行消费处理1到100的例子，如果把forEach替换为forEachOrdered，你觉得会发生什么呢？

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。