Funkcionální prvky, lambda výrazy

Tomáš Pitner, Radek Ošlejšek, Marek Šabo, Jakub Čecháček pitner@muni.cz

O co jde?

  • Java byla navržena jako čistě objektový jazyk.

  • Lambda výrazy do tohoto jazyka přináší prvky funkcionálního programování.

  • Jak mohou tyto dva různé světy koexistovat?

  • Proč a jak je funkcionální syntaxe integrována do objektového API Javy?

Motivační příklad

Založeno na Java Tutorial

  • Předpokládejme, že chceme vytvořit sociální síť. Administrátorům chceme umožnit provádění různých akcí jako například zasílání zpráv těm uživatelům sociální sítě, kteří splňují nějaká kritéria.

  • Předpokládejme, že uživatelé jsou reprezentování následující třídou:

public class Person {
    public enum Sex {
        MALE, FEMALE
    }
    private String name;
    private LocalDate birthday;
    private Sex gender;
    private String emailAddress;

    public int getAge() {
        // ...
    }
    public void printPerson() {
        // ...
    }
}

Krok 1: Primitivní řešení

  • Dále předpokládejme, že jsou uživatelé sociální sítě uložení v seznamu List<Person>.

  • Základní implementace vyhledávání lidí podle kritéria může vypadat následovně:

public static void printPersonsOlderThan(List<Person> roster, int age) {
    for (Person p : roster) {
        if (p.getAge() >= age) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

Otázky

Q

Co když chceme přidat další operaci, např. výpis lidí mladších než nějaký věk?

A

Musí se přidat nová metoda, nebo se existující metoda musí pojmout víc obecněji.

Krok 2: Zobecněné vyhledávání

public static void printPersonsWithinAgeRange(List<Person> roster, int low, int high) {
    for (Person p : roster) {
        if (low <= p.getAge() && p.getAge() < high) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

Otázky

Q

Co když chceme vypisovat uživatele specifického pohlaví, nebo dokonce kombinace věk a pohlaví?

Q

Co když se rozhodneme změnit třídu Person a přidat do ní atributy, např. vzájemné vztahy nebo geografická lokace?

A

Přestože je tato metoda obecnější než předchozí printPersonsOlderThan, snaha vytvořit specifickou metodu pro každý možný vyhledávací dotaz je neudržitelná.

Řešení

Oddělit kód, který specifikuje vyhledávací kritéria, od samotného vyhledávání.

Jména metod musí být výstižná a popisná. Proto byla metoda přejmenována.

Krok 3: Použití vlastního rozhraní [1/2]

  • Definujeme rozhraní pro vyhledávací a vytvoříme implementaci:

interface CheckPerson {
    boolean test(Person p);
}

class CheckPersonEligibleForSelectiveService implements CheckPerson {
    public boolean test(Person p) {
        return p.gender == Person.Sex.MALE &&
            p.getAge() >= 18 &&
            p.getAge() <= 25;
    }
}
Ve stejnou chvíli můžeme mít definováno několik vyhledávacích kritérií (tříd implementujících rozhraní).

Krok 3: Použití vlastního rozhraní [2/2]

  • Vyhledávací metoda se změní následovně:

public static void printPersons(List<Person> roster, CheckPerson tester) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

A volá se takto:

List<Person> roster = ...
printPersons(roster, new CheckPersonEligibleForSelectiveService());
Q

Je nutné definovat CheckPersonEligibleForSelectiveService ve speciální třídě?

A

Není. Můžeme použít anonymní třídy a redukovat tak kód.

Krok 4: Použití anonymní třídy

interface CheckPerson {
    boolean test(Person p);
}
// separate iteration and tester
public static void printPersons(List<Person> roster, CheckPerson tester) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

Provedení filtrace

// do the filtering
List<Person> roster = ...
printPersons(
    roster,
    new CheckPerson() {
        public boolean test(Person p) {
            return p.getGender() == Person.Sex.MALE
                && p.getAge() >= 18
                && p.getAge() <= 25;
        }
    }
);

  • Všimněte si, že CheckPerson je funkcionální - obsahuje jedinou metodu. Proto je ale název metody nepodstatný.

    Q

    Mohli bychom název metody nějak vynechat?

    A

    Ano, pokud použijeme lambda výraz, který se dá chápat jako definice anonymní metody implementující nějaké funkcionální rozhraní.

Krok 5: Použití lambda výrazu

List<Person> roster = ...
printPersons(
    roster,
    (Person p) -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
        && p.getAge() >= 18
        && p.getAge() <= 25
);

Vysvětlení lambda syntaxe →

  • Levá část (před šipkou) obsahuje vstupní parametry, pravá strana pak kód případně výstupní hodnotu.

  • Všimněte si, že rozhraní CheckPerson se teď v kódu objevuje pouze typ argumentu v metodě printPerson().

  • Ale název typu (ani metody, jak už víme) není důležitý.

    Q

    Mohli bychom vynechat z kódu i typ CheckPerson?

    A

    Ano. Java nabízí pro takové případy vlastní generická předdefinovaná rozhraní.

Krok 6: Použití existujících funkcionálních rozhraní [1/3]

  • Zamysleme se nad původní definicí našeho rozhraní:

interface CheckPerson {
    boolean test(Person p);
}

Zobecnění pomocí generických typů

  • Jeho význam můžeme zobecnit pomocí generických typů podobně, jako je tomu u rozhraní java.util.functions.Predicate:

interface Predicate<T> {
    boolean test(T t);
}

Krok 6: Použití existujících funkcionálních rozhraní [2/3]

  • CheckPerson tedy již nadále nepotřebujeme. Můžeme místo něj použít Predicate<T>:

public static void printPersons(List<Person> roster, Predicate<Person> tester) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

Vlastní filtrace zůstává

List<Person> roster = ...
printPersons(
    roster,
    (Person p) -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
        && p.getAge() >= 18
        && p.getAge() <= 25
);

Krok 6: Použití existujících funkcionálních rozhraní [3/3]

  • Zamysleme se nad rozhraním Predicate<T> a jeho použitím ještě jednou:

interface Predicate<T> {
    boolean test(T t);
}
...
(Person p) -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
    && p.getAge() >= 18
    && p.getAge() <= 25

Typování Predicate<T>

  • Všimněte si, že rozhraní Predicate používá typ T pouze na zjištění typu vstupního argumentu metody.

  • V řadě případů lze typ argumentu odvodit z kontextu pomocí type inference, pak je tato informace nadbytečná, ale nevadí.

    Q

    Mohli bychom deklaraci typu při volání vynechat?

    A

    Ano. Následující fragment kódu je rovněž správně. Že T odpovídá Person zjistí Java při překladu.

p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
    && p.getAge() >= 18
    && p.getAge() <= 25

Jaká máme funkcionální rozhraní v Javě?

  • Rozhraní v java.util.function package, například

    Predicate<T>

    s jednou metodou boolean test(T t),

    Supplier<T>

    s jednou metodou void get(T t),

    Consumer<T>

    s jednou metodou void accept(T t).

  • Další rozhraní, která sice mohou definovat více metod, ale jen jedna zni je nestatická, například

    • Comparator<T> z java.util,

    • Iterable<T> z java.lang.

Příklad použití dalších funkcionálních rozhraní

  • Naše současná implementace vyhledávací metody vypisuje informace o osobách splňujících predikát:

public static void printPersons(List<Person> roster, Predicate<Person> tester) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            p.printPerson();
        }
    }
}

  • Co když ale s osobami, které splňují predikát daný parametrem tester, chceme dělat něco jiného, než jen vypisovat informace o nich?

Funkcionální rozhraní Consumer

  • Funkcionální rozhraní Consumer<T> s metodou void accept(T t) nabízí obecnou operaci na zpracování objektu.

  • Jako implementaci rozhraní Consumer<T> lze použít jakýkoliv kód, který na daném objektu něco vykoná, ale nic nevrací.

  • Velmi často se prostě zavolá bezparametrická metoda definovaná na daném objektu, v našem případě p.printPerson().

Příklad definice zpracování s accept

public static void processPersons(
        List<Person> roster,
        Predicate<Person> tester,
        Consumer<Person> block) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            block.accept(p);
        }
    }
}

Příklad zpracování

processPersons(
     roster,
     p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
         && p.getAge() >= 18
         && p.getAge() <= 25,
     p -> p.printPerson()
);

Funkcionální rozhraní Function

  • Co když nám nestačí zpracovat původní objekty Person, ale rádi bychom z nich vytáhli nějaké informace, například e-mail, a teprve tyto informace zpracovali?

  • K tomu potřebuje rozhraní, které by vracelo nějakou hodnotu.

  • Funkcionální rozhraní Function<T,R> nabízí metodu R apply(T t), která slouží k "transformaci" dat typu T na data typu R.

Příklad definice zpracování s apply a accept

public static void processPersons(
        List<Person> roster,
        Predicate<Person> tester,
        Function<Person, String> mapper,
        Consumer<String> block) {
    for (Person p : roster) {
        if (tester.test(p)) {
            String data = mapper.apply(p);
            block.accept(data);
        }
    }
}

Příklad zpracování

processPersons(
    roster,
    p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
        && p.getAge() >= 18
        && p.getAge() <= 25,
    p -> p.getEmailAddress(),
    email -> System.out.println(email)
);

Extenzivní využití generických typů [1/2]

  • Metoda processPersons sice pracuje pouze se dvěma typy (Person and String), ale její smysl se dá zobecnit takto: procházej objekty, vyber, které splňují predikát, vezmi z nich nějaká data, a tato data zpracuj.

  • Tohoto zobecnění lze dosáhnout zobecněním typů za použití generik:

public static <X, Y> void processElements(
        Iterable<X> source,
        Predicate<X> tester,
        Function <X, Y> mapper,
        Consumer<Y> block) {
    for (X p : source) {
        if (tester.test(p)) {
            Y data = mapper.apply(p);
            block.accept(data);
        }
    }
}

Extenzivní využití generických typů [2/2]

  • Vypsání e-mailových adres lidí pak lze vypsat stejně jako předtím:

processElements(roster,
    p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
        && p.getAge() >= 18
        && p.getAge() <= 25,
    p -> p.getEmailAddress(),
    email -> System.out.println(email)
);

  • Co se ale změnilo je to, že lze takto zpracovat i jiné třídy/objekty, než jen Person!

Datové proudy (streams)

  • Rozhraní java.util.stream.Stream<T> používá nastíněné principy a nabízí jednoduché metody, které mohou být použité pro proudové zpracování dat. Náš kód lze přepsat takto:

roster.stream()
    .filter(
        p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE
            && p.getAge() >= 18
            && p.getAge() <= 25)
    .map(p -> p.getEmailAddress())
    .forEach(email -> System.out.println(email));

Shrnutí: Principy proudového zpracování dat

  • Java Core API nabízí jednoduchá funkcionální rozhraní vhodná pro proudové zpracování dat.

  • Díky generickým typům jsou tato rozhraní jsou nezávislá na tom, jaká data jsou v proudu uložena.

  • Rozhraní Stream poskytuje metody, které využívají funkcionální rozhraní pro definici jednoduchých operací nad proudovými daty.

  • Operace je aplikována na všechny objekty proudu.

  • Většina těchto metod vrací "výsledný" proud jako výstupní hodnotu, takže lze operace snadno řetězit.

Shrnutí/2

  • Vývojáři mohou využít anonymní třídy pro snadnou definici proudových operací (implementaci požadovaných rozhraní).

  • Protože se ale jedná o funkcionální rozhraní, lze navíc použít kompaktní zápis pomocí lambda výrazů.

  • Resumé: Vývojáři mohou implementovat proudově-orientované zpracování dat s použitím přístupu podobného funkcionálním jazykům.