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Java | 學習系列 Java1.8 新特性詳解( 包含學習程式碼 )

1. 簡介

毫無疑問,Java 8是Java自Java 5(釋出於2004年)之後的最重要的版本。這個版本包含語言、編譯器、庫、工具和JVM等方面的十多個新特性。在本文中我們將學習這些新特性,並用實際的例子說明在什麼場景下適合使用。

這個教程包含Java開發者經常面對的幾類問題:

  • 語言
  • 編譯器
  • 工具
  • 執行時(JVM)

2. Java語言的新特性

Java 8是Java的一個重大版本,有人認為,雖然這些新特性領Java開發人員十分期待,但同時也需要花不少精力去學習。在這一小節中,我們將介紹Java 8的大部分新特性。

2.1 Lambda表示式和函式式介面

Lambda表示式(也稱為閉包)是Java 8中最大和最令人期待的語言改變。它允許我們將函式當成引數傳遞給某個方法,或者把程式碼本身當作資料處理:

函式式開發者非常熟悉這些概念。很多JVM平臺上的語言(Groovy、Scala等)從誕生之日就支援Lambda表示式,但是Java開發者沒有選擇,只能使用匿名內部類代替Lambda表示式。

Lambda的設計耗費了很多時間和很大的社群力量,最終找到一種折中的實現方案,可以實現簡潔而緊湊的語言結構。最簡單的Lambda表示式可由逗號分隔的引數列表、->符號和語句塊組成,例如:

Arrays.asList( "a", "b", "d" ).forEach( e -> System.out.println( e ) );

在上面這個程式碼中的引數e的型別是由編譯器推理得出的,你也可以顯式指定該引數的型別,例如:

Arrays.asList( "a", "b", "d" ).forEach( ( String e ) -> System.out.println( e ) );

如果Lambda表示式需要更復雜的語句塊,則可以使用花括號將該語句塊括起來,類似於Java中的函式體,例如:

Arrays.asList( "a", "b", "d" ).forEach( e -> {
    System.out.print( e );
    System.out.print( e );
} );

Lambda表示式可以引用類成員和區域性變數(會將這些變數隱式得轉換成final的),例如下列兩個程式碼塊的效果完全相同:

String separator = ",";
Arrays.asList( "a", "b", "d" ).forEach( 
    ( String e ) -> System.out.print( e + separator ) );

final String separator = ",";
Arrays.asList( "a", "b", "d" ).forEach( 
    ( String e ) -> System.out.print( e + separator ) );

Lambda表示式有返回值,返回值的型別也由編譯器推理得出。如果Lambda表示式中的語句塊只有一行,則可以不用使用return語句,下列兩個程式碼片段效果相同:

Arrays.asList( "a", "b", "d" ).sort( ( e1, e2 ) -> e1.compareTo( e2 ) );

Arrays.asList( "a", "b", "d" ).sort( ( e1, e2 ) -> {
    int result = e1.compareTo( e2 );
    return result;
} );

Lambda的設計者們為了讓現有的功能與Lambda表示式良好相容,考慮了很多方法,於是產生了函式介面這個概念。函式介面指的是隻有一個函式的介面,這樣的介面可以隱式轉換為Lambda表示式。java.lang.Runnablejava.util.concurrent.Callable是函式式介面的最佳例子。在實踐中,函式式介面非常脆弱:只要某個開發者在該介面中新增一個函式,則該介面就不再是函式式介面進而導致編譯失敗。為了克服這種程式碼層面的脆弱性,並顯式說明某個介面是函式式介面,Java 8 提供了一個特殊的註解@FunctionalInterface(Java 庫中的所有相關介面都已經帶有這個註解了),舉個簡單的函式式介面的定義:

@FunctionalInterface
public interface Functional {
    void method();
}

不過有一點需要注意,預設方法和靜態方法不會破壞函式式介面的定義,因此如下的程式碼是合法的。

@FunctionalInterface
public interface FunctionalDefaultMethods {
    void method();

    default void defaultMethod() {            
    }        
}

Lambda表示式作為Java 8的最大賣點,它有潛力吸引更多的開發者加入到JVM平臺,並在純Java程式設計中使用函數語言程式設計的概念。如果你需要了解更多Lambda表示式的細節,可以參考官方文件

2.2 介面的預設方法和靜態方法

Java 8使用兩個新概念擴充套件了介面的含義:預設方法和靜態方法。預設方法使得介面有點類似traits,不過要實現的目標不一樣。預設方法使得開發者可以在 不破壞二進位制相容性的前提下,往現存介面中新增新的方法,即不強制那些實現了該介面的類也同時實現這個新加的方法。

預設方法和抽象方法之間的區別在於抽象方法需要實現,而預設方法不需要。介面提供的預設方法會被介面的實現類繼承或者覆寫,例子程式碼如下:

private interface Defaulable {
    // Interfaces now allow default methods, the implementer may or 
    // may not implement (override) them.
    default String notRequired() { 
        return "Default implementation"; 
    }        
}

private static class DefaultableImpl implements Defaulable {
}

private static class OverridableImpl implements Defaulable {
    @Override
    public String notRequired() {
        return "Overridden implementation";
    }
}

Defaulable介面使用關鍵字default定義了一個預設方法notRequired()DefaultableImpl類實現了這個介面,同時預設繼承了這個介面中的預設方法;OverridableImpl類也實現了這個介面,但覆寫了該介面的預設方法,並提供了一個不同的實現。

Java 8帶來的另一個有趣的特性是在介面中可以定義靜態方法,例子程式碼如下:

private interface DefaulableFactory {
    // Interfaces now allow static methods
    static Defaulable create( Supplier< Defaulable > supplier ) {
        return supplier.get();
    }
}

下面的程式碼片段整合了預設方法和靜態方法的使用場景:

public static void main( String[] args ) {
    Defaulable defaulable = DefaulableFactory.create( DefaultableImpl::new );
    System.out.println( defaulable.notRequired() );

    defaulable = DefaulableFactory.create( OverridableImpl::new );
    System.out.println( defaulable.notRequired() );
}

這段程式碼的輸出結果如下:

Default implementation
Overridden implementation

由於JVM上的預設方法的實現在位元組碼層面提供了支援,因此效率非常高。預設方法允許在不打破現有繼承體系的基礎上改進介面。該特性在官方庫中的應用是:給java.util.Collection介面新增新方法,如stream()parallelStream()forEach()removeIf()等等。

儘管預設方法有這麼多好處,但在實際開發中應該謹慎使用:在複雜的繼承體系中,預設方法可能引起歧義和編譯錯誤。如果你想了解更多細節,可以參考官方文件

2.3 方法引用

方法引用使得開發者可以直接引用現存的方法、Java類的構造方法或者例項物件。方法引用和Lambda表示式配合使用,使得java類的構造方法看起來緊湊而簡潔,沒有很多複雜的模板程式碼。

西門的例子中,Car類是不同方法引用的例子,可以幫助讀者區分四種類型的方法引用。

public static class Car {
    public static Car create( final Supplier< Car > supplier ) {
        return supplier.get();
    }              

    public static void collide( final Car car ) {
        System.out.println( "Collided " + car.toString() );
    }

    public void follow( final Car another ) {
        System.out.println( "Following the " + another.toString() );
    }

    public void repair() {   
        System.out.println( "Repaired " + this.toString() );
    }
}

第一種方法引用的型別是構造器引用,語法是Class::new,或者更一般的形式:Class<T>::new。注意:這個構造器沒有引數。

final Car car = Car.create( Car::new );
final List< Car > cars = Arrays.asList( car );

第二種方法引用的型別是靜態方法引用,語法是Class::static_method。注意:這個方法接受一個Car型別的引數。

cars.forEach( Car::collide );

第三種方法引用的型別是某個類的成員方法的引用,語法是Class::method,注意,這個方法沒有定義入參:

cars.forEach( Car::repair );

第四種方法引用的型別是某個例項物件的成員方法的引用,語法是instance::method。注意:這個方法接受一個Car型別的引數:

final Car police = Car.create( Car::new );
cars.forEach( police::follow );

執行上述例子,可以在控制檯看到如下輸出(Car例項可能不同):

Collided com.javacodegeeks.java8.method.references.MethodReferences$Car@7a81197d
Repaired com.javacodegeeks.java8.method.references.MethodReferences$Car@7a81197d
Following the com.javacodegeeks.java8.method.references.MethodReferences$Car@7a81197d

如果想了解和學習更詳細的內容,可以參考官方文件

2.4 重複註解

自從Java 5中引入註解以來,這個特性開始變得非常流行,並在各個框架和專案中被廣泛使用。不過,註解有一個很大的限制是:在同一個地方不能多次使用同一個註解。Java 8打破了這個限制,引入了重複註解的概念,允許在同一個地方多次使用同一個註解。

在Java 8中使用@Repeatable註解定義重複註解,實際上,這並不是語言層面的改進,而是編譯器做的一個trick,底層的技術仍然相同。可以利用下面的程式碼說明:

package com.javacodegeeks.java8.repeatable.annotations;

import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Repeatable;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;

public class RepeatingAnnotations {
    @Target( ElementType.TYPE )
    @Retention( RetentionPolicy.RUNTIME )
    public @interface Filters {
        Filter[] value();
    }

    @Target( ElementType.TYPE )
    @Retention( RetentionPolicy.RUNTIME )
    @Repeatable( Filters.class )
    public @interface Filter {
        String value();
    };

    @Filter( "filter1" )
    @Filter( "filter2" )
    public interface Filterable {        
    }

    public static void main(String[] args) {
        for( Filter filter: Filterable.class.getAnnotationsByType( Filter.class ) ) {
            System.out.println( filter.value() );
        }
    }
}

正如我們所見,這裡的Filter類使用@Repeatable(Filters.class)註解修飾,而Filters是存放Filter註解的容器,編譯器儘量對開發者遮蔽這些細節。這樣,Filterable介面可以用兩個Filter註解註釋(這裡並沒有提到任何關於Filters的資訊)。

另外,反射API提供了一個新的方法:getAnnotationsByType(),可以返回某個型別的重複註解,例如Filterable.class.getAnnoation(Filters.class)將返回兩個Filter例項,輸出到控制檯的內容如下所示:

filter1
filter2

如果你希望瞭解更多內容,可以參考官方文件

2.5 更好的型別推斷

Java 8編譯器在型別推斷方面有很大的提升,在很多場景下編譯器可以推匯出某個引數的資料型別,從而使得程式碼更為簡潔。例子程式碼如下:

package com.javacodegeeks.java8.type.inference;

public class Value< T > {
    public static< T > T defaultValue() { 
        return null; 
    }

    public T getOrDefault( T value, T defaultValue ) {
        return ( value != null ) ? value : defaultValue;
    }
}

下列程式碼是Value<String>型別的應用:

package com.javacodegeeks.java8.type.inference;

public class TypeInference {
    public static void main(String[] args) {
        final Value< String > value = new Value<>();
        value.getOrDefault( "22", Value.defaultValue() );
    }
}

引數Value.defaultValue()的型別由編譯器推導得出,不需要顯式指明。在Java 7中這段程式碼會有編譯錯誤,除非使用Value.<String>defaultValue()

2.6 拓寬註解的應用場景

Java 8拓寬了註解的應用場景。現在,註解幾乎可以使用在任何元素上:區域性變數、介面型別、超類和介面實現類,甚至可以用在函式的異常定義上。下面是一些例子:

package com.javacodegeeks.java8.annotations;

import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;

public class Annotations {
    @Retention( RetentionPolicy.RUNTIME )
    @Target( { ElementType.TYPE_USE, ElementType.TYPE_PARAMETER } )
    public @interface NonEmpty {        
    }

    public static class Holder< @NonEmpty T > extends @NonEmpty Object {
        public void method() throws @NonEmpty Exception {            
        }
    }

    @SuppressWarnings( "unused" )
    public static void main(String[] args) {
        final Holder< String > holder = new @NonEmpty Holder< String >();        
        @NonEmpty Collection< @NonEmpty String > strings = new ArrayList<>();        
    }
}

ElementType.TYPE_USERElementType.TYPE_PARAMETER是Java 8新增的兩個註解,用於描述註解的使用場景。Java 語言也做了對應的改變,以識別這些新增的註解。

3. Java編譯器的新特性

3.1 引數名稱

為了在執行時獲得Java程式中方法的引數名稱,老一輩的Java程式設計師必須使用不同方法,例如Paranamer liberary。Java 8終於將這個特性規範化,在語言層面(使用反射API和Parameter.getName()方法)和位元組碼層面(使用新的javac編譯器以及-parameters引數)提供支援。

package com.javacodegeeks.java8.parameter.names;

import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Parameter;

public class ParameterNames {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Method method = ParameterNames.class.getMethod( "main", String[].class );
        for( final Parameter parameter: method.getParameters() ) {
            System.out.println( "Parameter: " + parameter.getName() );
        }
    }
}

在Java 8中這個特性是預設關閉的,因此如果不帶-parameters引數編譯上述程式碼並執行,則會輸出如下結果:

Parameter: arg0

如果帶-parameters引數,則會輸出如下結果(正確的結果):

Parameter: args

如果你使用Maven進行專案管理,則可以在maven-compiler-plugin編譯器的配置項中配置-parameters引數:

<plugin>
    <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
    <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
    <version>3.1</version>
    <configuration>
        <compilerArgument>-parameters</compilerArgument>
        <source>1.8</source>
        <target>1.8</target>
    </configuration>
</plugin>

4. Java官方庫的新特性

Java 8增加了很多新的工具類(date/time類),並擴充套件了現存的工具類,以支援現代的併發程式設計、函數語言程式設計等。

4.1 Optional

Java應用中最常見的bug就是空值異常。在Java 8之前,Google Guava引入了Optionals類來解決NullPointerException,從而避免原始碼被各種null檢查汙染,以便開發者寫出更加整潔的程式碼。Java 8也將Optional加入了官方庫。

Optional僅僅是一個容易:存放T型別的值或者null。它提供了一些有用的介面來避免顯式的null檢查,可以參考Java 8官方文件瞭解更多細節。

接下來看一點使用Optional的例子:可能為空的值或者某個型別的值:

Optional< String > fullName = Optional.ofNullable( null );
System.out.println( "Full Name is set? " + fullName.isPresent() );        
System.out.println( "Full Name: " + fullName.orElseGet( () -> "[none]" ) ); 
System.out.println( fullName.map( s -> "Hey " + s + "!" ).orElse( "Hey Stranger!" ) );

如果Optional例項持有一個非空值,則isPresent()方法返回true,否則返回false;orElseGet()方法,Optional例項持有null,則可以接受一個lambda表示式生成的預設值;map()方法可以將現有的Opetional例項的值轉換成新的值;orElse()方法與orElseGet()方法類似,但是在持有null的時候返回傳入的預設值。

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