Java 8, mit Lambdas das hohe Lied des Functional Programming singen

Java 8 mit Lambdas das hohe Lied des

Functional Programming singen

IPS-Expertenkreis

Dr. Hubert Austermeier

ORDIX AG

03.07.2014

[email protected]

www.ordix.de

� Motivation, Einführung

� Definitionen zu Lambda Expressionss

� Voraussetzungen: funktionale Schnittstellen

� Noch kürzer: Referenzen auf Methoden/Konstruktoren

� Streams: profitieren stark von Lambda Expressions

Agenda


� Streams im Einsatz

� Lösungen mittels Lambda Expressions

Java 8 - Lambda Expressions, IPS Expertenkreis, 03.07.2014 1

� Es finden 3 String-Additionen und 2 toString() Konversionen statt

– auch dann, falls der Log Level auf Warning steht!

Probleme! Welche Probleme?

logger.info("x: " + x + ", y: " + y);

� Keine Chance, diesen Code auf einem 8-Kern Rechner parallel laufen zu lassen


for (BusinessObj b : listOfBO)

b.doComplexWork();

Probleme…

saveButton.addActionListener(new ActionListener() {

@Override

public void actionPerformed(ActionEvent e) {

saveActions(e.getActionCommand());

}

});

� Hässlich, einfach nur hässlich…

übrigens nicht nur für Entwickler, auch für die JVM!


� Die zuvor gezeigten "Probleme" haben etwas gemeinsam:

mögliche Lösungen haben mit Funktionen zu tun;

Funktionen, die für eine Parameterübergabe taugen

� Das führt zu Lambda Expressions, kurz Lambdas, welche die

bedeutendste Neuerung in Java 8 (seit März draußen) darstellen

Was kann helfen?

bedeutendste Neuerung in Java 8 (seit März draußen) darstellen

� Die konkreten Lösungen schauen wir uns später an…


� Lambdas sind seit langem auf der Agenda des Java-Fortschritts

� benannt nach dem griechischem λ – und nach dem Lambda Kalkül

� entwickelt in den 1930‘er Jahren zur Untersuchung von Funktionen

und deren Berechenbarkeit (A. Church, et al.)

Lambdas Grundsätzliches

� sollen das Prinzip des "Functional Programming" in Java befördern

� bekannte, funktionale Programmiersprachen sind Lisp, Scheme, Haskell, …

� Lambdas sollen u.a. die sperrigen, unleserlichen Anonymen Klassen

ablösen

� werden zunehmend wichtig für das Thema "Multithreading“


� Der Begriff Closure ist sehr verbreitet in der IT und bedeutet vereinfacht:

� Code, der herumgereicht werden kann, z.B. an eine Methode, die

diesen Code verzögert ausführen kann � deferred execution

� Closure heißt es vielen Programmiersprachen (Scheme, Lisp, Scala, …),

Closure dort, Lambda hier

� Closure heißt es vielen Programmiersprachen (Scheme, Lisp, Scala, …),

� für Java wurde die Bezeichnung Lambda gewählt

� Man findet auch den Begriff "Code as Data"

� soll heißen, dass Code herumgereicht wird genauso wie Daten


In einem Blog Beitrag von James Gosling (Java Protagonist) findet

sich etwas zur Historie des Closure Themas in Java

(http://www.javaworld.com/#resources)

etwas Historie: Closures vs inner classes

Closures were left out of Java initially more because of

time pressures than anything else.


time pressures than anything else.

In the early days of Java the lack of closures was

pretty painful, and so inner classes were born:

an uncomfortable compromise that attempted to avoid

a number of hard issues. But as is normal in so

many design issues, the simplifications didn't really solve

any problems, they just moved them.

� Beispiel in Java 8:

� (a, b) -> a + b

� symbolisiert die Funktion: Berechne die Summe von zwei Parametern

� (der Typ von a und b ergibt sich aus dem Kontext, dazu später mehr)

Wie sieht eine Lambda Expression denn nun aus?

dazu später mehr)







Agenda





� syntaktisch besteht einer Lambda Expression aus:

� einer Liste von Parametern, durch Komma getrennt

� einem Methodenrumpf

� Zwischen Parameterliste und Methodenrumpf steht das "->" Symbol:

Syntax von Lambda Expressions

� oder einfacher:


String[] names = {"Thomas", "Sebastian", "Uli", "Tobias", "Andreas"};

names.forEach((String element) -> { System.out.println(element); });

names.forEach(element -> System.out.println(element));

� der Datentyp der Parameter wird aus dem Kontext abgeleitet

� Zugriff auf Variablen des "umliegenden Scopes" ist möglich,

falls sie effektiv unveränderlich sind

� der Modifier final ist mit Java 8 nicht mehr obligatorisch

weitere Definitionen

� Gültigkeitsbereiche:

� this bezieht sich auf die Instanz der Klasse,

in welcher Lambda Expression steht

� super verweist auf die Oberklasse der Klasse,

in welcher Lambda Expression steht


Anonyme Klasse vs. Lambda Expression

String[] names = {"Thomas", "Sebastian", "Uli", "Tobias", "Andreas"};

// Anonyme Klasse

Arrays.sort(names, new Comparator<String>() {

@Override

public int compare(String name1, String name2) {

return name1.compareTo(name2);

}


}

});

// Lambda Expression

Arrays.sort(names, (name1, name2) -> name1.compareTo(name2));

� Lambda Expressions können auch mehrere Anweisungen enthalten

� der Anweisungsblock wird dann in geschweifte Klammern gesetzt

Mehrzeilige Lambda Expressions

Collections.sort(liste, (person1, person2) -> {

int c = person1.getVorname().compareTo(person2.getVorname());

if (c == 0)


if (c == 0)

c = person1.getNachname().compareTo(person2.getNachname());

return c;

});

� Lambda Expressions können genutzt werden bei:

� Variablen-Initialisierung oder -zuweisung

� Argumentposition

� Ergebnisrückgabe mit return

� Rumpf eines größeren Lambda-Ausdrucks

� Operand eines bedingten Ausdrucks (dreistelliger Operator ?:)

Lambda Expression dürfen wo stehen?

� Operand eines bedingten Ausdrucks (dreistelliger Operator ?:)

� generell überall, wo die Instanz eines Functional Interface stehen kann

� im Gegensatz zu anonymen Klassen werden keine zusätzlichen

Bytecode-Dateien generiert!







Agenda





� sind Interfaces mit einer einzigen, abstrakten Methode

� sog. SAM Interface (Single Abstract Method)

� @FunctionalInterface markiert ein Functional Interface

� Compiler kann damit prüfen, ob es valide ist

Functional Interfaces

� sind Voraussetzung für Lambda Expressions, welche eine

kompakte Schreibweise bieten

� Interfaces in Java 8 können default-Methoden implementieren!

� (wichtig für Rückwärtskompabilität)


Functional Interfaces…

@FunctionalInterface

public interface MyFunctionalInterface {

void takeTime(LocalDateTime time);

default String timeFormatter(LocalDateTime time) {

return time.format(DateTimeFormatter.ISO_DATE);


return time.format(DateTimeFormatter.ISO_DATE);

}

}






Agenda





� Lambda Expression führen oft nur eine einzige Methode aus

� Methoden Referenz bieten eine weitere, verkürzte Schreibweise

� die Methode wird über Typ::Namen referenziert

� neben dem Datentyp der Parameter, muss der Compiler auch

die Anzahl der Parameter aus dem Kontext ableiten

Methoden Referenzen

die Anzahl der Parameter aus dem Kontext ableiten

� die Methode wird nicht aufgerufen, sondern referenziert!

� Beispiel:


Integer[] numbers = {120 ,5, 90, 3, 1, 9, 14, 22, 2};

Arrays.stream(numbers).forEach(e -> System.out.println(e));

// geht einfacher mit Methoden Referenz

Arrays.stream(numbers).forEach(System.out::println);

� syntaktisch besteht eine Methoden Referenz aus:

� einem Receiver (Empfänger)

� Name der statischen Methode oder Instanzmethode

� durch “::“ verbunden

Syntax Methoden Referenzen


Syntax Beschreibung

Klasse::new Referenz auf einen Konstruktor

Klasse::statischeMethode Referenz auf eine statische Methode

Klasse::instanzMethodeReferenz auf eine Instanzmethode eines

beliebigen Objekts

Objekt::instanzMethodeReferenz auf eine Instanzmethode eines

bestimmten Objekts

Beispiele

// Methoden Referenz – statische Methode

Integer[] numbers = {120 ,5, 90, 3, 1, 9, 14, 22, 2};

Arrays.sort(numbers, Integer::compare);

//– nicht statische Methode


//– nicht statische Methode

String[] letters = {"V", "S", "C", "T", "A", "R", "H"};

Arrays.sort(letters, String::compareTo);

// - mittels eines bestimmten Objektes - bound

ComparisonProvider comparisonProvider = new ComparisonProvider();

personListe.sort(comparisonProvider::compareByName);

Beispiel: Klasse::new

// Konstruktor Referenz

String filesuffix = ".txt";

List<String> dataList = Arrays.asList("readme","releasenotes");

dataList.stream()

.map(StringBuilder::new)

.map(s->s.append(filesuffix));







Agenda





� neue, mächtige API in Java 8, um effizienter Collections einzusetzen

� basieren stark auf Lambdas und Functional Interfaces

� ein Stream speichert keine Daten

� der Speicher besteht aus Collections, Arrays,…

Streams Grundsätzliches

� auf Streams finden Operationen (Methodenaufrufe) statt

� es wird z.B. nicht iteriert über einen Stream

� Stream Operationen ändern nicht ihre Quelle (z. B. eine List<…>)

� sie geben neue Streams zurück bzw. erzeugen Ergebnisse


� bislang mussten Entwickler vieles selbst programmieren:

Bspl.: "Iteration über ein Array und Elemente konkatenieren"

Stream API Motivation

String[] strArr = new String[]{"Hallo", ", ", "Welt"};

StringBuilder satz = new StringBuilder("");

for (String wort: strArr) {

� Nicht weiter schlimm, aber solcher Code ist z.B. schwer parallelisierbar!


for (String wort: strArr) {

satz.append(wort);

}

� in der Stream API stecken viele implizite Algorithmen; zum Iterieren gibt es beispielsweise die Methode: forEach

Iteration: forEach

String[] strArr = new String[]{"Hallo", ", ", "Welt"};

StringBuilder satz = new StringBuilder("");

Arrays.stream(strArr).forEach(satz::append);Arrays.stream(strArr).forEach(satz::append);


� Stream-Operationen lassen sich in 3 Kategorien unterteilen:

� Stream-Generierung (creation operation)

� Stream-Transformation (intermediate operation)

� werden 0..n mal angewendet

Stream Management

� werden 0..n mal angewendet

� liefern ihrerseits jeweils Streams zurück

� Abschlussberechnung (terminal operation)

� Sie werden auch in dieser Reihenfolge angewendet







Agenda





� einen Stream zu einer Collection (List, Set, Map,…) bekommt man

über die Methode stream()

� Stream<String> s = stringSet.stream();

� ein Array ist auf 2 Arten umwandelbar zu einem Stream :

� Stream.of(anArray) liefert Stream für das gesamte Array

� Arrays.stream(anArray, von, bis) liefert Stream für einen

Stream-Generierung (I/II)

� Arrays.stream(anArray, von, bis) liefert Stream für einen

Abschnitt des Arrayes

� Stream.empty() liefert einen leeren Stream

� (kann nötig sein, falls leeres Ergebnis zurück zu geben ist)


� Stream.generate(Math::random) liefert Stream von Zufallszahlen

� weitere Java 8 API-Klassen liefern Streams als Resultat

� um Zeilen einer Datei auszulesen:Stream<String> lines = Files.lines(pFile);

Stream-Generierung (II/II)

Stream<String> lines = Files.lines(pFile);

� um eine Suche durchzuführen und die passenden "Matches" zu erhalten:Stream<String> words

= Pattern.compile(regExp).splitAsStream(contents);


� eine Stream-Transformation liest Daten aus einem Stream und

packt modifizierte Daten in einen anderen Stream

� Stream Transfomationen erfolgen häufig "lazy", d.h. erst wenn die

transformierten Daten benötigt werden, findet die Transformation statt

Stream-Transformation

� die filter() Operation modifiziert einen Ursprungsdatenstrom,

in dem nur Elemente durchkommen, die ein gewisses Kriterium erfüllen


� Suche nach oder Filtern von Elementen erforderte bislang

ein "aktives Suchen",

� z.B. mittels einer Suchschleife wie "zählen aller Strings mit Länge > 2"

Suchen in Listen

String[] strArr = new String[]{"Hallo", ", ", "Welt"}; int count = 0;

for (String s : strArr) if (s.length > 2) count++;

� Streams bieten dafür die Methode filter


Stream<String> strStream = Arrays.stream(strArr); int count = 0;

count = strSet.stream().filter(s -> s.length > 2).count();

� um die einzelnen Elemente eines Streams zu transformieren,rückt die Methode map() ins Blickfeld

� wird aufgerufen mit eine Lambda Expression (oder Methoden Referenz)

� diese bestimmt, wie der Typ des Transformationsergebnisses ist

Elemente umformen: map

� diese bestimmt, wie der Typ des Transformationsergebnisses ist

� map() erzeugt einen neuen Stream von Elementen

� des gleichen Typs, falls lambda: Function(T, T) ist

� vom Typ U, falls lambda: Function(T, U)


� Aufgabenstellung: eine Liste von Wörtern umformen, so dass eine

Sequenz resultiert mit allen Wörtern in Kleinbuchstaben

� Es greift der Mechanismus von map(): jedes Element wird einer

Transformation unterzogen und in einen neuen Stream gepackt

Beispiel: map

� oder mittels Methoden Referenz

Java 8 - Lambda Expressions, IPS Expertenkreis, 03.07.2014

List<String> wordList = ...;

Stream<String> words = wordList.stream();

Stream<String> lowercaseWords = words.map(s -> s.toLowerCase());

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Stream<String> lowercaseWords = words.map(String::toLowerCase);

� Ausgangslage: Elemente eines Streams sind so zu transformieren, dass pro Element eine Container-Struktur entsteht (z.B. eine List<T>)

� Wunsch: es soll keine Ineinanderschachtelung stattfinden, wie z.B.Stream<List<T>>, sondern eine "flache" Struktur entstehen Stream<T>

Umformung Kaskadierung: flatMap

� Lösung: die Methode flatMap() liefert genau das


� die folgende Methode transformiert jeden String in einen

Stream<Character>:

BeispielS: flatMap

public static Stream<Character> characterStream(String s) {

List<Character> result = new ArrayList<>();

for (char c : s.toCharArray()) result.add(c);

return result.stream();

}

� Ergebnis von characterStream("boot") ist der Stream ['b', 'o', ‘o', 't']

� ein simples map() liefert eine verschachtelte Struktur

� flatMap hingegen löst die innere Struktur und liefert einen "flachen" Stream


Stream<Stream<Character>> result = words.map(w -> characterStream(w));

}

Stream<Character> letters = words.flatMap(w -> characterStream(w));

� Methoden, die eine endgültige Struktur oder einen Wert zurückgeben

� sorgen dafür, dass alle Berechnungen, Transformationen,

Filterungen, etc. tatsächlich stattfinden

� basieren hauptsächlich auf reduce() und collect()

Abschlussberechnung (terminal operation)

� basieren hauptsächlich auf reduce() und collect()


� um sukzessive, Element für Element zu rechnen und am

Ende ein Ergebnis zu liefern, eignet sich die Methode:reduce()

� es wird jeweils unter Hinzunahme eines weiteren Elementes

ein neues Zwischenergebnis gebildet

Einzelergebnisse aus Streams: reduce

ein neues Zwischenergebnis gebildet

� reduce() hat bis zu 3 Argumente:

� initialValue: Identitätswert; Operation mit diesem Wert liefert

identischen Wert, (0 bei Integer Addition)

� accumulator: "addiert" ein Element zu einem (Zwischen)ergebnis

� combiner: fasst zwei Zwischenergebnisse zu einem zusammen


� einfaches Beispiel: "Berechne die Summe von n Zahlen"

Beispiele: reduce

Stream<Integer> values = ...;

// mit 1 Argument

Optional<Integer> sum = values.reduce((x, y) -> x + y)

// oder mit 2 Argumenten; Optional ist nicht mehr nötig!

Integer sum = values.reduce(0, (x, y) -> x + y)

� bei einfachen Operationen ist wieder Methoden Referenz nutzbar


Integer sum = values.reduce(0, (x, y) -> x + y)

Stream<Integer> values = ...;

// Methoden-Referenz

Integer sum = values.reduce(0, Integer::sum)

� anderes Beispiel: "Bilde die Summe der Längen aller Strings";

� hier braucht man ein drittes Argument,

denn Teilergebnisse sind speziell zusammenzufassen

reduce mit combiner

int result = words.reduce(0,

(total, word) -> total + word.length(), // accumulator

(total1, total2) -> total1 + total2); // combiner


(total1, total2) -> total1 + total2); // combiner

� wenn als Ergebnis eine komplexere Struktur erwartert wird, wie z.B. ein HashSet, kann die Methode collect() genutzt werden

� es wird jeweils unter Hinzunahme eines weiteren Elementes

ein bestehendes Zwischenergebnis erweitert!

Strukturergebnisse aus Streams: collect

� collect() hat ebenfalls bis zu 3 Argumente:

� supplier: Initialisierungsfunktion; liefert eine leere Struktur

� accumulator: fügt ein Element einem (Zwischen)ergebnis hinzu

� combiner: fügt ein Zwischenergebnis mit einem zweiten zusammen


� Beispiel: "Bilde aus dem Stream von Strings eine HashSet-Struktur"

Beispiele: collect

HashSet<String> result =

words.collect(HashSet::new, HashSet::add, HashSet::addAll);

// ^ ^ ^

// supplier accumulator combiner

� In der Praxis nutzt man Factory-Methoden aus der Collectors-Klasse


// für Standard Collections gibt es vorgefertigte Methoden

Set<String> hSResult = words.collect(Collectors.toSet());

� Collectors-Klasse hat Angebote für alle gängigen Collections

collect...

List<String> lResult=

words.collect(Collectors.toList());

// oder etwas spezieller, nicht einfach Set, sondern TreeSet

TreeSet<String> tSResult =

words.collect(Collectors.toCollection(TreeSet::new));

� Beispiel: String-Zusammenfassung:

� "Bilde aus dem Stream von Strings einen Gesamtstring“


words.collect(Collectors.toCollection(TreeSet::new));

String result1 = words.collect(Collectors.joining());

// mit Trennzeichen zwischen Einzelstrings

String result2 = words.collect(Collectors.joining(", "));

� Es soll eine Liste von Personen in eine Map transformiert werden,

so dass später für eine ID ein Name gefunden werden kann

� (Annahme1: es gibt eine Person Klasse mit passenden Attributen)

� (Annahme2: es gibt eine people Variable vom Typ Stream<Person>)

Elemente in eine Map packen mittels collect

// Collectors.toMap() hat zwei Argumente

// 1: wie komme ich an den key


// 1: wie komme ich an den key

// 2: was ist der value

Map<Integer, String> idToName = people.collect(

Collectors.toMap(Person::getId, Person::getName));

// value soll das Objekt sein

Map<Integer, Person> idToPerson = people.collect(

Collectors.toMap(Person::getId, Function.identity());

� falls ein key mehr als einmal auftaucht, gibt es eine IllegalStateException

� ein drittes Argument kann Kollisionsbehandlung übernehmen

� Beispiel:

� „Konstruktion einer Map für die Sprachen alle verfügbaren Locales.

Als key fungiert der Namen im default Locale ("German"),

welcher als value den lokalisierten Namen hat ("Deutsch").“

Kollisionen behandeln

welcher als value den lokalisierten Namen hat ("Deutsch").“


Stream<Locale> locales = Stream.of(Locale.getAvailableLocales());

Map<String, String> languageNames = locales.collect(

Collectors.toMap(

l -> l.getDisplayLanguage(),

l -> l.getDisplayLanguage(l),

(existingValue, newValue) -> existingValue));

Locales: ar_AE, ar_JO, ar_SY, hr_HR, fr_BE, es_PA, ...

� Eine Liste von Elementen nach bestimmten Kriterien zu gruppieren,

ist eine häufig vorkommende Aufgabenstellung

� daher gibt es dafür die spezielle Methode groupingBy

� Beispiel: "Gruppiere alle Sprachen eines Landes“

Gruppierung durchführen: groupingBy


// groupingBy benötigt eine classifier function;

// hier: Locale::getCountry

Map<String, List<Locale>> countryToLocales =

locales.collect(Collectors.groupingBy(Locale::getCountry));

// Sprachen für die Schweiz:

List<Locale> swissLocales = countryToLocales.get("CH");

// Yields locales [it_CH, de_CH, fr_CH]






Agenda





� Wir erinnern uns, da war diese starre Anweisung:

� Stattdessen können wir schreiben:

Lösungen…

logger.info( () -> "x: " + x + ", y: " + y );

logger.info("x: " + x + ", y: " + y);

� und dürfen hoffen, dass das java.util.Logging um das Angebot eines

Functional Interface erweitert ist


// Auszug Logging API; neue log Methode mit Lambda;

// wird und nur bei Bedarf ausgewertet!

public void log(Level level, Supplier<String> msgSupplier) {

if (!isLoggable(level)) {

return;

}

LogRecord lr = new LogRecord(level, msgSupplier.get());

� und was ist mit der Parallelisierung?

� Da bietet die Stream API vielfältige Angebote, z.B.

Lösungen…

for (BusinessObj b : listOfBO)

b.doComplexWork();

� Da bietet die Stream API vielfältige Angebote, z.B.


listOfBO.parllelStream().forEach(b.doComplexWork());

� und schlussendlich unser hässlicher ActionListener?

Lösungen…

saveButton.addActionListener(new ActionListener() {

@Override

public void actionPerformed(ActionEvent e) {

saveActions(e.getActionCommand());

}

});

� Da hilft eine simple (!!) Lambda Expression


});

saveButton.addActionListener(

e-> saveActions(e.getActionCommand()));

Fazit

� Lambda Expressions sind seit den Generics aus Java 5 die

gravierendste Neuerung in Java 8

� Führen das Prinzip des "Functional Programming“ in die Java-Welt ein

� Mit der Stream-API hat ORACLE/SUN eine leistungsfähige Innovation

Lambda Expression eröffnen ein neues Programmierprinzipin Java, was durchaus als Bereicherung anzusehen ist

51Java 8 - Lambda Expressions, IPS Expertenkreis, 03.07.2014

� Mit der Stream-API hat ORACLE/SUN eine leistungsfähige Innovation

des Collection Frameworks vorgenommen

� unter starker Nutzung von Lambda Expressions

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