by smallnest

Java 8函数式接口functional interface的秘密

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函数式接口(Functional Interface)是Java 8对一类特殊类型的接口的称呼。这类接口只定义了唯一的抽象方法的接口（除了隐含的Object对象的公共方法），因此最开始也就做SAM类型的接口（Single Abstract Method）。

为什么会单单从接口中定义出此类接口呢？原因是在Java Lambda的实现中，开发组不想再为Lambda表达式单独定义一种特殊的Structural函数类型，称之为箭头类型（arrow type），依然想采用Java既有的类型系统(class, interface, method等)，原因是增加一个结构化的函数类型会增加函数类型的复杂性，破坏既有的Java类型，并对成千上万的Java类库造成严重的影响。权衡利弊，因此最终还是利用SAM 接口作为 Lambda表达式的目标类型。

JDK中已有的一些接口本身就是函数式接口，如Runnable。 JDK 8中又增加了java.util.function包，提供了常用的函数式接口。

函数式接口代表的一种契约，一种对某个特定函数类型的契约。在它出现的地方，实际期望一个符合契约要求的函数。 Lambda表达式不能脱离上下文而存在，它必须要有一个明确的目标类型，而这个目标类型就是某个函数式接口。

当然， Java 8发布快一年了，你对以上的概念也应该有所了解了，这篇文章也不会介绍这些基础的东西，而是想深入的探讨函数式接口的定义和应用。

JDK 8之前已有的函数式接口

java.lang.Runnable
java.util.concurrent.Callable
java.security.PrivilegedAction
java.util.Comparator
java.io.FileFilter
java.nio.file.PathMatcher
java.lang.reflect.InvocationHandler
java.beans.PropertyChangeListener
java.awt.event.ActionListener
javax.swing.event.ChangeListener

新定义的函数式接口

java.util.function中定义了几组类型的函数式接口以及针对基本数据类型的子接口。

Predicate-- 传入一个参数，返回一个bool结果，方法为boolean test(T t)
Consumer-- 传入一个参数，无返回值，纯消费。方法为void accept(T t)
Function<T,R> -- 传入一个参数，返回一个结果，方法为R apply(T t)
Supplier-- 无参数传入，返回一个结果，方法为T get()
UnaryOperator-- 一元操作符，继承Function<T,T>,传入参数的类型和返回类型相同。
BinaryOperator-- 二元操作符，传入的两个参数的类型和返回类型相同，继承BiFunction<T,T,T>

Java API对函数式接口都已经标明了，如

java.lang
Interface Runnable
    All Known Subinterfaces:
        RunnableFuture<V>, RunnableScheduledFuture<V>
    All Known Implementing Classes:
        AsyncBoxView.ChildState, ForkJoinWorkerThread, FutureTask, RenderableImageProducer, SwingWorker, Thread, TimerTask
    Functional Interface:
        This is a functional interface and can therefore be used as the assignment target for a lambda expression or method reference.

函数式接口中可以额外定义多个抽象方法，但这些抽象方法签名必须和Object的public方法一样

接口最终有确定的类实现，而类的最终父类是Object。因此函数式接口可以定义Object的public方法。
如以下的接口依然是函数式接口：

@FunctionalInterface
public interface ObjectMethodFunctionalInterface {
	void count(int i);
	
	String toString(); //same to Object.toString
	int hashCode(); //same to Object.hashCode
	boolean equals(Object obj); //same to Object.equals
}

为什么限定public类型的方法呢？因为接口中定义的方法都是public类型的。举个例子，下面的接口就不是函数式接口：

interface WrongObjectMethodFunctionalInterface {
	void count(int i);
	
	Object clone(); //Object.clone is protected
}

因为Object.clone方法是protected类型。

声明异常

函数式接口的抽象方法可以声明 可检查异常(checked exception)。在调用目标对象的这个方法时必须catch这个异常。

public class FunctionalInterfaceWithException {
	public static void main(String[] args) {
		InterfaceWithException target = i -> {};
		try {
			target.apply(10);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
}
@FunctionalInterface
interface InterfaceWithException {
	void apply(int i) throws Exception;
}

这和以前的接口/方法调用一样。

但是，如果在Lambda表达式中抛出异常，而目标接口中的抽象函数没有声明这个可检查，则此接口不能作为此lambda表达式的目标类型。

public class FunctionalInterfaceWithException {
	public static void main(String[] args) {
		InterfaceWithException target = i -> {throw new Exception();};
	}
}
@FunctionalInterface
interface InterfaceWithException {
	void apply(int i);
}

上面的例子中不能编译，因为lambda表达式要求的目标类型和InterfaceWithException不同。 InterfaceWithException的函数没有声明异常。

静态方法

函数式接口中除了那个抽象方法外还可以包含静态方法。
Java 8以前的规范中接口中不允许定义静态方法。静态方法只能在类中定义。 Java 8中可以定义静态方法。

一个或者多个静态方法不会影响SAM接口成为函数式接口。
下面的例子中FunctionalInterfaceWithStaticMethod包含一个SAM: apply,还有一个静态方法sum。它依然是函数式接口。

@FunctionalInterface
interface FunctionalInterfaceWithStaticMethod {
	static int sum(int[] array) {
		return Arrays.stream(array).reduce((a, b) -> a+b).getAsInt();
	}
	
	void apply();
}
public class StaticMethodFunctionalInterface {
	public static void main(String[] args) {
		int sum = FunctionalInterfaceWithStaticMethod.sum(new int[]{1,2,3,4,5});
		
		FunctionalInterfaceWithStaticMethod f = () -> {};
	}
}

默认方法

Java 8中允许接口实现方法，而不是简单的声明，这些方法叫做默认方法，使用特殊的关键字default。
因为默认方法不是抽象方法，所以不影响我们判断一个接口是否是函数式接口。

@FunctionalInterface
interface InterfaceWithDefaultMethod {
	void apply(Object obj);
	
	default void say(String name) {
		System.out.println("hello " + name);
	}
}
class FunctionalInterfaceWithDefaultMethod {
	public static void main(String[] args) {
		InterfaceWithDefaultMethod i = (o) -> {};
		i.apply(null);
		i.say("default method");
	}
}

InterfaceWithDefaultMethod仍然是一个函数式接口。

泛型及继承关系

接口可以继承接口。如果父接口是一个函数接口，那么子接口也可能是一个函数式接口。判断标准依据下面的条件：

对于接口I, 假定M是接口成员里的所有抽象方法的继承(包括继承于父接口的方法)，除去具有和Object的public的实例方法签名的方法，那么我们可以依据下面的条件判断一个接口是否是函数式接口，这样可以更精确的定义函数式接口。
如果存在一个一个方法m，满足：
m的签名（subsignature）是M中每一个方法签名的子签名（signature）
m的返回值类型是M中的每一个方法的返回值类型的替代类型（return-type-substitutable）
那么I就是一个函数式接口。

看几个例子。

1)

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3

interface X { int m(Iterable<String> arg); }
interface Y { int m(Iterable<String> arg); }
interface Z extends X, Y {}

接口Z继承了X,Y接口的m方法，由于这两个方法的签名相同，返回值也一样，所以Z有唯一的一个抽象方法int m(Iterable<String> arg);,可以作为函数式接口。

2)

1
2
3

interface X { Iterable m(Iterable<String> arg); }
interface Y { Iterable<String> m(Iterable arg); }
interface Z extends X, Y {}

方法签名Y.m 既满足签名是X.m，并且返回值也满足return-type-substitutable。所以Z是函数式接口，函数类型为Iterable<String> m(Iterable arg)。

3)

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3

interface X { int m(Iterable<String> arg); }
interface Y { int m(Iterable<Integer> arg); }
interface Z extends X, Y {}

编译出错，没有一个方法的签名是所有方法的子签名：

4)

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3

interface X { int m(Iterable<String> arg, Class c); }
interface Y { int m(Iterable arg, Class<?> c); }
interface Z extends X, Y {}

Compiler error: No method has a subsignature of all abstract methods
编译出错，没有一个方法的签名是所有方法的子签名

5)

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3

interface X { long m(); }
interface Y { int m(); }
interface Z extends X, Y {}

Compiler error: no method is return type substitutable
编译出错，返回值类型不同。

6)

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3

interface Foo<T> { void m(T arg); }
interface Bar<T> { void m(T arg); }
interface FooBar<X, Y> extends Foo<X>, Bar<Y> {}

Compiler error: different signatures, same erasure
编译出错

7)

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3

interface Foo { void m(String arg); }
interface Bar<T> { void m(T arg); }
interface FooBar<T> extends Foo, Bar<T> {}

不是一个函数式接口，两个方法的类型参数不一样。

8)

interface X { void m() throws IOException; }
interface Y { void m() throws EOFException; }
interface Z { void m() throws ClassNotFoundException; }
interface XY extends X, Y {}
interface XYZ extends X, Y, Z {}

X.m,Y.m,Z.m方法签名相同，返回值类型都是void，只是异常列表不同。 EOFException是IOException的子类。
在这种情况下XY和XYZ都是函数式接口，但是函数类型不同。
// XY has function type ()->void throws EOFException
// XYZ has function type ()->void (throws nothing)

9)

interface A {
  List<String> foo(List<String> arg) throws IOException, SQLTransientException;
}
interface B {
  List foo(List<String> arg) throws EOFException, SQLException, TimeoutException;
}
interface C {
  List foo(List arg) throws Exception;
}
interface D extends A, B {}
interface E extends A, B, C {}

// D has function type (List)->Listthrows EOFException, SQLTransientException
// E has function type (List)->List throws EOFException, SQLTransientException

10)

interface G1 {
  <E extends Exception> Object m() throws E;
}
interface G2 {
  <F extends Exception> String m() throws Exception;
}
interface G extends G1, G2 {}

// G has function type()->String throws F

函数式接口的交集

1)

public class Z {
	public static void main(String[] args) {
		Object o = (I & J) () -> {};
	}
}
interface I {
	void foo();
}
interface J {
	void foo();
}

I和J方法的交集依然符合函数式接口的定义。上述代码可以用JDK中的javac编译通过但是Eclipse报错，这是Eclipse的一个bug。

2)

public class Z {
	public static void main(String[] args) {
		Object o = (I & J) () -> {};
	}
}
interface I {
	void foo();
}
interface J {
	void foo();
	void bar();
}

上述代码Eclipse不会报错但是javac无法编译，javac认为 (I & J)不是一个函数式接口。看起来javac工作正常， Eclipse处理这样的case还有问题。

@FunctionalInterface

Java 不会强制要求你使用@FunctionalInterface注解来标记你的接口是函数式接口，然而，作为API作者，你可能倾向使用@FunctionalInterface指明特定的接口为函数式接口，这只是一个设计上的考虑，可以让用户很明显的知道一个接口是函数式接口。

@FunctionalInterface
public interface SimpleFuncInterface {
    public void doWork();
}

如果你在一个不是函数式的接口使用@FunctionalInterface标记的话，会出现什么情况？编译时出错。

error: Unexpected @FunctionalInterface annotation
@FunctionalInterface
^
  I is not a functional interface
    multiple non-overriding abstract methods found in interface I

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