Java 8 新特性探秘:Lambda 表达式、Stream API 和 Optional 的深度解析
一、引言
Java 8 的出现为开发者带来了诸多强大的新特性，其中 Lambda 表达式、Stream API 和 Optional 更是备受瞩目。这些新特性极大地提高了编程效率和代码的可读性，为 Java 开发注入了新的活力。
Lambda 表达式允许把函数作为方法的参数传递，或者将代码本身当作数据处理，为 Java 引入了函数式编程的风格。它的语法简洁紧凑，由逗号分隔的参数列表、“->” 符号和语句块组成。例如，可以使用 Lambda 表达式轻松地遍历集合：Arrays.asList("a", "b", "d").forEach(e -> System.out.println(e));。同时，为了使现有功能更好地支持 Lambda 表达式，Java 8 引入了函数式接口的概念，如java.lang.Runnable和
java.util.concurrent.Callable就是典型的函数式接口。Java 8 还为函数式接口添加了特殊的注解@FunctionalInterface，以明确标识函数式接口，增强代码的可读性和可维护性。
Stream API 是 Java 8 中另一个重要的新特性，它以声明性方式处理数据集合，使代码更加简洁、可读性更好，同时还提供了并行操作的能力，能够更有效地利用多核处理器。Stream 可以看作是数据流，从数据源获取数据，通过一系列的处理步骤，将数据转换或过滤成所需的结果。其优点包括简洁的代码、易于阅读和理解、并行操作以及函数式编程风格。例如，可以使用 Stream API 轻松地实现对一个列表中的偶数进行过滤并求平方：list.stream().filter(n -> n % 2 == 0).map(n -> n * n).forEach(System.out::println);。Stream 的操作分为创建流、中间操作和终止操作三个步骤。创建流可以通过集合、数组、Stream.of()方法以及创建无限流等方式实现。中间操作包括无状态操作（如filter、map、flatMap、peek等）和有状态操作（如distinct、sorted、limit、skip等）。终止操作又分为非短路操作和短路操作，只有在执行终止操作时，才会执行中间操作链并产生结果。
Optional 是 Java 8 中为了解决空指针异常问题而引入的容器类。它可以包含一个非空或者为空对象，提供了一种更加安全和优雅的方式来处理可能为空的值。Optional 的好处包括避免NullPointerException异常、使代码更加健壮、提高代码的可读性和易于维护性。创建 Optional 对象可以通过of、ofNullable和empty三个静态方法。获取 Optional 对象中的值可以使用get、orElse、orElseGet、orElseThrow等方法。还可以使用isPresent和ifPresent方法判断 Optional 对象是否为空以及在 Optional 对象不为空时执行指定的操作。此外，Optional 还支持对对象进行转换和过滤操作，如使用map和flatMap方法进行转换，使用filter方法进行过滤。
总之，Java 8 的 Lambda 表达式、Stream API 和 Optional 新特性为开发者提供了强大的工具，使 Java 编程更加高效、简洁和安全。
二、Lambda 表达式
1. 什么是 Lambda 表达式
Lambda 表达式是一个匿名函数，可以将代码像数据一样进行传递，使 Java 的语言表达能力得到提升。在 Java 8 中，Lambda 表达式也被称为闭包，它是推动 Java 8 发布的最重要新特性之一。Lambda 允许把函数作为一个方法的参数，即函数作为参数传递进方法中。使用 Lambda 表达式可以使代码变得更加简洁紧凑。例如，以下是一个使用 Lambda 表达式计算两个数的和的例子：
MathOperation addition = (a, b) -> a + b;int result = addition.operation(5, 3);
System.out.println("5 + 3 = " + result);
在这个例子中，MathOperation是一个函数式接口，它包含一个抽象方法operation，Lambda 表达式(a, b) -> a + b实现了这个抽象方法，表示对两个参数进行相加操作。Lambda 表达式可以用于各种场景，包括集合操作、事件处理等。
2. Lambda 表达式的语法
Lambda 表达式由参数列表、->符号和语句块组成。其语法格式如下：
(parameters) -> expression或(parameters) -> { statements; }
其中，parameters是参数列表，expression或{ statements; }是 Lambda 表达式的主体。如果只有一个参数，可以省略括号；如果没有参数，也需要空括号。
例如：
// 使用 Lambda 表达式遍历列表List
names.forEach(name -> System.out.println(name));
3. Lambda 表达式的重要特征
- 简洁性：相比匿名内部类，代码更为紧凑。
传统的匿名内部类实现方式如下：
Runnable runnable1 = new Runnable() {@Override
public void run() {
System.out.println("Hello World!");
}
};
而使用 Lambda 表达式实现相同功能则更加简洁：
Runnable runnable2 = () -> System.out.println("Hello World!");- 函数式编程支持：可作为参数传递给方法或作为返回值。
Lambda 表达式是函数式编程的一种体现，它允许将函数当作参数传递给方法，或者将函数作为返回值。这种支持使得 Java 在函数式编程方面更为灵活，能够更好地处理集合操作、并行计算等任务。例如：
List names = Arrays.asList("Alice", "Bob", "Charlie"); names.forEach(name -> System.out.println(name));
- 变量捕获：可以访问外部作用域的变量。
Lambda 表达式可以访问外部作用域的变量，这种特性称为变量捕获。Lambda 表达式可以隐式地捕获final或事实上是final的局部变量。例如：
int x = 10;MyFunction myFunction = y -> System.out.println(x + y);
myFunction.doSomething(5); // 输出 15
- 方法引用：进一步简化代码。
Lambda 表达式可以通过方法引用进一步简化，方法引用允许你直接引用现有类或对象的方法，而不用编写冗余的代码。例如：
List names = Arrays.asList("Alice", "Bob", "Charlie"); names.forEach(System.out::println);
- 可并行性：方便实现并行操作。
Lambda 表达式能够更方便地实现并行操作，通过使用 Stream API 结合 Lambda 表达式，可以更容易地实现并行计算，提高程序性能。例如：
List numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5); int sum = numbers.parallelStream().mapToInt(Integer::intValue).sum();
三、Stream API
1. 什么是 Stream API
Stream API 是 Java 8 中处理集合的关键抽象概念，可以执行非常复杂的查找、过滤和映射数据等操作。Stream 可以看作是一个可操作的数据集序列，它不存储元素，不会改变源对象，操作是延迟执行的，只有在触发终止操作时才会真正执行中间操作并产生结果。
2. Stream 的操作步骤
- 创建 Stream：可以从集合、数组、值、函数等创建 Stream。
- 从集合创建：Java 8 中的 Collection 接口被扩展，提供了两个获取流的方法，stream()返回一个顺序流，parallelStream()返回一个并行流。
- 从数组创建：Java 8 中的 Arrays 的静态方法 stream()可以获取数组流。
- 从值创建：可以使用静态方法 Stream.of()，通过显示值创建一个流，它可以接收任意数量的参数。
- 从函数创建：可以使用静态方法 Stream.iterate()和Stream.generate()创建无限流。
- 中间操作：包括筛选与切片、映射、排序等无状态和有状态操作。
- 筛选与切片：通过filter()方法从流中排除某些元素，limit()方法截断流使其元素不超过给定数量，skip(n)方法跳过前 n 个元素，distinct()方法通过流所生成元素的hashCode()和equals()去除重复元素。
- 映射：map()方法接收一个函数作为参数，将元素映射成新的元素，flatMap()方法将流中的每个值都换成另一个流，然后把所有流连接成一个流。
- 排序：sorted()方法进行自然排序，sorted(Comparator com)方法进行定制排序。
- 终止操作：包括查找与匹配、规约、收集等操作，产生最终结果。
- 查找与匹配：有allMatch()检查是否匹配所有元素，anyMatch()检查是否至少匹配一个元素，noneMatch()检查是否没有匹配所有元素，findFirst()返回第一个元素，findAny()返回当前流中的任意元素，count()返回流中元素总数，max()返回流中最大值，min()返回流中最小值。
- 规约：reduce()方法根据一定的规则将 Stream 中的元素进行计算后返回一个唯一的值。
- 收集：可以使用toArray()方法将流转换为数组，collect()方法将流转换为其他形式，如集合等。
四、Optional
1. 基础理解
Optional 是 Java 8 引入的一个容器类，用于放置可能为空的值。它的出现是为了解决臭名昭著的空指针异常问题，使得代码在处理可能为空的值时更加合理和优雅。
在 Java 1.8 之前，处理空值通常需要进行大量的显式空检查，一不小心就会引发空指针异常，导致应用运行终止，给用户带来不好的体验。而 Optional 的引入，为开发者提供了一种更加清晰和安全的方式来处理空值。
Optional 的本质是一个容器，它可以包含一个非空值或者为空。如果值存在，Optional 可以通过各种方法获取和操作这个值；如果值不存在，Optional 可以提供默认值或者执行其他操作，而不会引发空指针异常。
2. API 介绍
- 提供了 empty ()、of ()、ofNullable () 等常用方法创建 Optional 对象。
- empty()：创建一个空的 Optional 对象。这个方法返回一个不包含任何值的 Optional 实例，通常用于表示没有值的情况。
- of(T value)：创建一个包含非空值的 Optional 对象。如果传入的参数为 null，会抛出 NullPointerException。这个方法用于明确表示一个值必须存在，不允许为 null。
- ofNullable(T value)：创建一个 Optional 对象，如果传入的值为 null，则返回一个空的 Optional 对象；如果传入的值不为 null，则返回一个包含该值的 Optional 对象。这个方法在不确定值是否为 null 的情况下非常有用，可以避免空指针异常。
- 有 get ()、isPresent () 等方法进行判断和获取值。
- get()：获取 Optional 对象中的值。如果 Optional 对象为空，调用这个方法会抛出 NoSuchElementException。因此，在调用这个方法之前，通常需要先使用 isPresent() 方法进行判断，确保 Optional 对象中包含值。
- isPresent()：判断 Optional 对象中是否包含值。如果包含值，返回 true；否则，返回 false。这个方法通常用于在获取值之前进行判断，以避免空指针异常。
3. 最佳实践与反面案例
- Bad Practice：直接使用 isPresent () 进行 if 检查、在方法参数中使用 Optional、直接使用 Optional.get () 等。
- 直接使用 isPresent() 进行 if 检查：这种方式与 Java 1.8 之前的写法没有太大区别，反而增加了代码的复杂性，没有带来实质的收益。isPresent() 一般用于流处理的结尾，用于判断是否符合条件。
- 在方法参数中使用 Optional：如果方法参数可以为空，更好的做法是使用重载。重载的业务表达更加清晰直观，而使用 Optional 作为方法参数会降低代码的可读性。
- 直接使用 Optional.get()：Optional.get() 不会进行任何空判断或异常处理，如果直接使用和不做任何空判断一样，十分危险。
- Best and Pragmatic Practice：常用 empty () 方法、避免不恰当的使用方式。
- empty() 方法：返回一个 Optional 容器对象，而不是 null。这个方法在需要表示没有值的情况下非常有用，可以避免空指针异常。建议在合适的情况下经常使用这个方法。
- 避免不恰当的使用方式：在使用 Optional 时，要避免一些不恰当的使用方式，如在 POJO 中使用 Optional 作为属性、在注入的属性中使用 Optional 等。这些不恰当的使用方式可能会给序列化带来麻烦，降低代码的可读性。
五、结论
Java 8 的 Lambda 表达式、Stream API 和 Optional 新特性为开发者带来了更高效、简洁和安全的编程体验，掌握这些新特性有助于提升开发效率和代码质量。
Lambda 表达式允许把函数作为方法的参数传递，或者将代码本身当作数据处理，为 Java 引入了函数式编程的风格，使代码更加简洁紧凑。Stream API 以声明性方式处理数据集合，提供了并行操作的能力，能更有效地利用多核处理器。Optional 是为了解决空指针异常问题而引入的容器类，提供了更加安全和优雅的方式来处理可能为空的值。
在实际开发中，合理运用这些新特性可以让代码更加简洁、高效、易于维护。例如，使用 Lambda 表达式可以简化集合的遍历和操作，使用 Stream API 可以方便地进行数据过滤、映射和聚合操作，使用 Optional 可以避免空指针异常，提高代码的健壮性。