認識 Lambda/Closure（7）JDK8 Lambda 語法

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終於要來介紹 JDK8 Lambda 語法了。在 JDK8 中要表示 (x -> x * 2)，基本上，可以寫為以下的形式：

(Integer x) -> x + 2

別忘了，Java 是靜態定型語言，所以在這邊型態宣告是必要的。在認識 Lambda/Closure（4）中我們談過，對靜態定型語言來說，類型推斷（Type inference）對採用 Lambda/Closure 時是很重要的特性。當然，JDK8 必然得提供更強的類型推斷，如此在某些場合中，就可以省略型態宣告。先別急，本文介紹才剛開始。即便如此，以上的語法比起認識 Lambda/Closure（6）中的匿名類別來說，語法上還是簡潔許多了。
有了 JDK8 Lambda，要寫個 compose 方法來做函數合成，就可以如下撰寫：

public static <A, B, C> Func<A, C> compose(Func<A, B> f, Func<B, C> g) {
    return x -> g.apply(f.apply(x));
}

我們仍然需要認識 Lambda/Closure（6）中定義的 Func 介面，然而函數本體的實作清楚多了。如果你不看 ".apply" 的部份，x -> g.apply(f.apply(x)) 就會是 x -> g(f(x))，可清楚地表達出我們的意圖。使用 compose 來做函數合成 g(f(x))，其中 f(x) = x + 2 與 g(y) = y * 3 的話，則可以寫為：

compose((Integer x) -> x + 2, (Integer y) -> y * 3);

以下再次列出認識 Lambda/Closure（6）中使用匿名類別的寫法，比較一下兩個程式碼，你會選擇使用哪個呢？

compose(
    new Func<Integer, Integer>() {
        public Integer apply(Integer x) {
            return x + 2;
        }
    },
    new Func<Integer, Integer>() {
        public Integer apply(Integer y) {
            return y * 3;
        }
    }
);

JDK8 Lambda 的通用語法是由參數列、箭號 token -> 與函式本體組成。以下是 Lambda 表示式的兩個例子：

// 計算 x 與 y 的和
(int x, int y) -> x + y

// 不帶引數，直接傳回整數 42
() -> 42

在 JDK8 Lambda 中，本體可以是單一運算式或者是陳述區塊。例如：

// 取得字串並輸出至主控台，沒有傳回值
(String s) -> { out.println(s); }

// 取一個整數並傳回一個整數
(Integer x) -> {
    Integer result;
    ...other statements
    ...
    return result;
};

區塊可以由數個陳述句組成，不過基本上不建議如此使用。在運用 Lambda 時，儘量使用簡單的運算式會是比較好的。如果你的實作比較複雜，還有其他方式可以運用到 JDK8 Lambda 的好處，之後的文章就會介紹到。
在一些語言中，Lambda 表示式本身就具備型態，像是 JavaScript 中匿名函式會是 Function 的實例。在 JDK8 中，Lambda 表示式（或陳述句）本身是中性的。如果沒有目標型態（Target type），Lambda 表示式不代表任何一種物件。如何定義 Lambda 表示式的目標型態呢？Java 並不是天生就具備一級函式的語言。在認識 Lambda/Closure（5）中我們看過，避免增加一個複雜的型態系統，以及保持與過往 API 的相容性，是 Java 中採用 Lambda 時的兩個重要目標。JDK8 並沒有導入新的函式型態，而是定義函式介面（Functional interface）作為 Lambda 表示式的代表型態。函式介面是僅具單一抽象方法的介面，許多現存的介面都是這種介面，像是 Runnable、Callable、Comparator 等。

public interface Runnable {
    void run();
}

public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

public interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
}

在認識 Lambda/Closure（6）中定義的 Func 介面也是函式介面。Lambda 表示式的目標型態，會從對應的函式介面推斷而來。例如，以下的 Lambda 運算式會是 Func 的實例：

Func<Integer, Integer> func = x -> x * 2;

在這邊型態推斷發揮了作用，參數 x 以及傳回值的型態而從泛型宣告與方法簽署（Method signature）推斷而來，所以在上面的 Lambda 表示式中不需要宣告型態。如果有個函式介面定義如下：

public interface Function<P, R> {
    R call(P p);
}

在以下的範例中，同樣是 (x -> x * 2) 這個表示式，實際上會成為 Function 的實例，參數與傳回值型態則都會是 Double。

Function<Double, Double> f2 = x -> x * 2;

所以，Lambda 表示式本身是中性的，它本身無關乎函式介面的名稱，它只關心方法簽署，但忽略方法名稱。
函式介面是僅具單一抽象方法的介面，不過有時候會難以直接看出介面是否為函式介面。例如，介面可能有預設方法（JDK8 的新特性）、可能繼承其他介面、重新定義了某些方法等，這些都會使得確認介面是否為函式介面更為困難。有個新的標註 @FunctionalInterface 被引入，它可以這麼使用：

@FunctionalInterface
public interface Func<P, R> {
    R apply(P p);
}

如果介面使用了 @FunctinalInterface 來標註，而本身並非函式介面的話，就會引發編譯錯誤。例如：

@FunctionalInterface
public interface Function<P, R> {
    R call(P p);
    R call(P p1, P p2);
}

編譯器會對此介面產生以下編譯錯誤： >@FunctionalInterface ^ Function is not a functional interface multiple non-overriding abstract methods found in interface Function 看來來，Lambda 語法不過就是匿名類別的編譯器語法蜜糖嘛！真的嗎？來看一下接下來的程式，想想看結果會如何顯示？

import static java.lang.System.out;

public class Hello {
    Runnable r1 = new Runnable() {
        public void run() {
            out.println(this);
        }
    };
    Runnable r2 = new Runnable() {
        public void run() {
            out.println(toString());
        }
    };

    public String toString() { return "Hello, world!"; }

    public static void main(String[] args) {
        new Hello().r1.run();
        new Hello().r2.run();
    }
}

結果會顯示像是 Hello$1@103368e 與 Hello$2@1f2ae62，這是因為 this 以及 toString 代表的對象，實際上會來自匿名類別對應的實例。再來看看接下來的程式，它會顯示什麼？

import static java.lang.System.out;

public class Hello {
    Runnable r1 = () -> { out.println(this); };
    Runnable r2 = () -> { out.println(toString()); };

    public String toString() { return "Hello, world!"; }

    public static void main(String[] args) {
        new Hello().r1.run();
        new Hello().r2.run();
    }
}

結果會顯示兩次的 "Hello, world!"，也就是說，Lambda 表示式本體中的 this 與 toString 實際參考對象，是來自當時包含它們的環境，也就是 Hello 實例。也注意到，先前定義的 compose 方法中，參數列上並不需要 final 關鍵字。在認識 Lambda/Closure（5）中我們看過，如果要在匿名類別中使用外在的區域變數，Java 的編譯器會強制你在區塊變數加上 final，即使變數實際上於匿名類別中並不會做任何修改。JDK8 放寬了這個限制，如果變數本身等效於 final 區域變數，也就是說，如果變數不會在 Lambda 表示式中有重新指定的重作，就可以不用加上 final 關鍵字。
不過，我們可以在 Lambda 表示式中改變被捕捉的變數值嗎？像是在 JavaScript 或 Scala 中可以做到的事情？因為可重新指定的閒置變數（Free variable）也代表著可變的狀態，而可變狀態代表著在並行程式設計（JDK8 會想要採用 Lambda 的理由之一）會有鎖定問題，JDK8 特意禁止你捕捉可變動的區域變數。你無法在 Lambda 表示式中改變被捕捉的變數值。
你已經看過 JDK8 Lambda 的基本語法了，如你到目前看到的，與現有 API 保持相容性也是 Java 中採用 Lambda 的目標之一。Java 是一門古老且具有一大堆 API 的語言，它會採用什麼策略來解決這個問題？這是下一篇文章所要討論的內容。