Новое в Java 8

Java еще не умерла — и люди начинают это понимать.

Добро пожаловать в ведение по Java 8. Этот материал шаг за шагом познакомит вас со всеми новыми фичами языка. Вы научитесь использовать методы интерфейсов по умолчанию (default interface methods), лямбда-выражения (lambda expressions), ссылки на методы (method references) и повторяемые аннотации (repeatable annotations). Все это будет сопровождаться короткими и простыми примерами кода. В конце статьи вы познакомитесь с наиболее свежими изменениями в API, касающихся потоков, функциональных интерфейсов, расширений для ассоциативных массивов, а также с изменениями в API работы с датами.

Методы интерфейсов по умолчанию

Java 8 позволяет вам добавлять неабстрактные реализации методов в интерфейс, используя ключевое слово default. Эта фича также известна, как методы расширения. Вот наш первый пример:

interface Formula {
    double calculate(int a);

    default double sqrt(int a) {
        return Math.sqrt(a);
    }
}

Кроме абстрактного метода calculate интерфейс Formula также определяет метод по умолчанию sqrt. Классы, имплементирующие этот интерфейс, должны переопределить только абстрактный метод calculate. Метод по умолчанию sqrt будет доступен без переопределения.

Formula formula = new Formula() {
    @Override
    public double calculate(int a) {
        return sqrt(a * 100);
    }
};

formula.calculate(100);     // 100.0
formula.sqrt(16);                // 4.0

formula реализован как анонимный объект. Этот код довольно избыточен: целых 6 строчек для такого простого вычисления как sqrt(a * 100). В следующем разделе мы увидим, что в Java 8 есть куда более изящный способ реализации объектов с одним методом.

Лямбда-выражения

Давайте начнем с простого примера: сортировка массива строк в предыдущих версиях языка.

List<String> names = Arrays.asList("peter", "anna", "mike", "xenia");

Collections.sort(names, new Comparator<String>() {
    @Override
    public int compare(String a, String b) {
        return b.compareTo(a);
    }
});

Статический метод Collections.sort принимает список и компаратор, который используется для сортировки списка. Наверняка вам часто приходилось создавать анонимные компараторы для того чтобы передать их в метод.

Java 8 предоставляет гораздо более короткий синтаксис — лямбда-выражения, чтобы вам не приходилось тратить время на создание анонимных объектов:

Collections.sort(names, (String a, String b) -> {
    return b.compareTo(a);
});

Как видите, код гораздо короче и куда более читаем. И его можно сделать еще короче:

Collections.sort(names, (String a, String b) -> b.compareTo(a));

Для однострочных методов вы можете опустить скобки {} и ключевое слово return. Так еще короче:

Collections.sort(names, (a, b) -> b.compareTo(a));

Компилятору известны типы параметров, поэтому их можно тоже опустить. Давайте посмотрим, как еще могут использовать лямбда-выражения.

Функциональные интерфейсы

Как лямбда-выражения соответствуют системе типов языка Java? Каждой лямбде соответствует тип, представленный интерфейсом. Так называемый функциональный интерфейс должен содержать ровно один абстрактный метод. Каждое лямбда-выражение этого типа будет сопоставлено объявленному методу. Также, поскольку методы по умолчанию не являются абстрактными, вы можете добавлять в функциональный интерфейс сколько угодно таких методов.

Мы можем использовать какие угодно интерфейсы для лямбда-выражений, содержащие ровно один абстрактный метод. Для того, чтобы гарантировать, что ваш интерфейс отвечает этому требованию, используется аннотация @FunctionalInterface. Компилятор осведомлен об этой аннотации, и выдаст ошибку компиляции, если вы добавите второй абстрактный метод в функциональный интерфейс.

Пример:

@FunctionalInterface
interface Converter<F, T> {
    T convert(F from);
}

Converter<String, Integer> converter = (from) -> Integer.valueOf(from);
Integer converted = converter.convert("123");
System.out.println(converted);    // 123

Имейте в виду, что этот код останется корректным даже если убрать аннотацию @FunctionalInterface.

Ссылки на методы и конструкторы

Предыдущий пример можно упростить, если использовать статические ссылки на методы:

Converter<String, Integer> converter = Integer::valueOf;
Integer converted = converter.convert("123");
System.out.println(converted);   // 123

Java 8 позволяет вам передавать ссылки на методы или конструкторы. Для этого нужно использовать ключевое слово ::. Предыдущий пример иллюстрирует передачу ссылки на статический метод. Однако мы также можем ссылаться на экземплярный метод:

class Something {
    String startsWith(String s) {
        return String.valueOf(s.charAt(0));
    }
}

Something something = new Something();
Converter<String, String> converter = something::startsWith;
String converted = converter.convert("Java");
System.out.println(converted);    // "J"

Давайте посмотрим, как передавать ссылки на конструкторы. Сперва определим бин с несколькими конструкторами:

class Person {
    String firstName;
    String lastName;

    Person() {}

    Person(String firstName, String lastName) {
        this.firstName = firstName;
        this.lastName = lastName;
    }
}

Затем определим интерфейс фабрики, которая будет использоваться для создания новых персон:

interface PersonFactory<P extends Person> {
    P create(String firstName, String lastName);
}

Теперь вместо реализации интерфейса мы соединяем все вместе при помощи ссылки на конструктор:

PersonFactory<Person> personFactory = Person::new;
Person person = personFactory.create("Peter", "Parker");

Мы создаем ссылку на конструктор с помощью Person::new. Компилятор автоматически выбирает подходящий конструктор, сигнатура которого совпадает с сигнатурой PersonFactory.create.

Области действия лямбд

Доступ к переменным внешней области действия из лямбда-выражения очень схож к доступу из анонимных объектов. Вы можете ссылаться на переменные, объявленные как final, на экземплярные поля класса и статические переменные.

final int num = 1;
Converter<Integer, String> stringConverter = (from) -> String.valueOf(from + num);

stringConverter.convert(2);     // 3

Но в отличии от анонимных объектов, переменная num не обязательно должна быть объявлена как final. Такой код тоже сработает:

int num = 1;
Converter<Integer, String> stringConverter = (from) -> String.valueOf(from + num);

stringConverter.convert(2);     // 3

Однако переменная num должна все равно оставаться неизменяемой. Следующий код не скомпилируется:

int num = 1;
Converter<Integer, String> stringConverter = (from) -> String.valueOf(from + num);
num = 3;

Запись в переменную num в пределах лямбда-выражения также запрещена.

Доступ к полям и статическим переменным

В отличии от локальных переменных, мы можем записывать значения в экземплярные поля класса и статические переменные внутри лямбда-выражений. Это поведение хорошо знакомо по анонимным объектам.

class Lambda4 {
    static int outerStaticNum;
    int outerNum;

    void testScopes() {
        Converter<Integer, String> stringConverter1 = (from) -> {
            outerNum = 23;
            return String.valueOf(from);
        };

        Converter<Integer, String> stringConverter2 = (from) -> {
            outerStaticNum = 72;
            return String.valueOf(from);
        };
    }
}

Доступ к методам интерфейсов по умолчанию

Помните пример с формулой из первого раздела? В интерфейсе Formula определен метод по умолчанию sqrt, который доступен из каждой имплементации интерфейса, включая анонимные объекты. Однако это не сработает в лямбда-выражениях.

Внутри лямбда-выражений запрещено обращаться к методам по умолчанию. Следующий код не скомпилируется:

Formula formula = (a) -> sqrt( a * 100);

Встроенные функциональные интерфейсы

JDK 1.8 содержит множество встроенных функциональных интерфейсов. Некоторые из них хорошо известны по предыдущим версиям языка, например, Comparator или Runnable. Все эти интерфейсы были поддержаны в лямбдах добавлением аннотации @FunctionalInterface.

Однако в Java 8 также появилось много новых функциональных интерфейсов, которые призваны облегчить вам жизнь. Некоторые интерфейсы хорошо известны по библиотеке Google Guava. Даже если вы незнакомы с этой библиотекой, вам стоить взглянуть, как эти интерфейсы были дополнены некоторыми полезными методами расширений.

Предикаты

Предикаты — это функции, принимающие один аргумент, и возвращающие значение типа boolean. Интерфейс содержит различные методы по умолчанию, позволяющие строить сложные условия (and, or, negate).

Predicate<String> predicate = (s) -> s.length() > 0;

predicate.test("foo");              // true
predicate.negate().test("foo");     // false

Predicate<Boolean> nonNull = Objects::nonNull;
Predicate<Boolean> isNull = Objects::isNull;

Predicate<String> isEmpty = String::isEmpty;
Predicate<String> isNotEmpty = isEmpty.negate();

Функции

Функции принимают один аргумент и возвращают некоторый результат. Методы по умолчанию могут использоваться для построения цепочек вызовов (compose, andThen).

Function<String, Integer> toInteger = Integer::valueOf;
Function<String, String> backToString = toInteger.andThen(String::valueOf);

backToString.apply("123");     // "123"

Поставщики

Поставщики (suppliers) предоставляют результат заданного типа. В отличии от функций, поставщики не принимают аргументов.

Supplier<Person> personSupplier = Person::new;
personSupplier.get();   // new Person

Потребители

Потребители (consumers) представляют собой операции, которые производятся на одним входным аргументом.

Consumer<Person> greeter = (p) -> System.out.println("Hello, " + p.firstName);
greeter.accept(new Person("Luke", "Skywalker"));

Компараторы

Компараторы хорошо известны по предыдущим версиям Java. Java 8 добавляет в интерфейс различные методы по умолчанию.

Comparator<Person> comparator = (p1, p2) -> p1.firstName.compareTo(p2.firstName);

Person p1 = new Person("John", "Doe");
Person p2 = new Person("Alice", "Wonderland");

comparator.compare(p1, p2);             // > 0
comparator.reversed().compare(p1, p2);  // < 0

Опциональные значения

Опциональные значения (optionals) не являются функциональными интерфейсами, однако являются удобным средством предотвращения NullPointerException. Это важная концепция, которая понадобится нам в следующем разделе, поэтому давайте взглянем, как работают опциональные значения.

Опциональные значение — это по сути контейнер для значения, которое может быть равно null. Например, вам нужен метод, который возвращает какое-то значение, но иногда он должен возвращать пустое значение. Вместо того, чтобы возвращать null, в Java 8 вы можете вернуть опциональное значение.

Optional<String> optional = Optional.of("bam");

optional.isPresent();           // true
optional.get();                 // "bam"
optional.orElse("fallback");    // "bam"

optional.ifPresent((s) -> System.out.println(s.charAt(0)));     // "b"

Потоки

Тип java.util.Stream представляет собой последовательность элементов, над которой можно производить различные операции. Операции над потоками бывают или промежуточными (intermediate) или конечными (terminal). Конечные операции возвращают результат определенного типа, а промежуточные операции возвращают тот же поток. Таким образом вы можете строить цепочки из несколько операций над одним и тем же потоком. Поток создаются на основе источников, например типов, реализующих java.util.Collection, такие как списки или множества (ассоциативные массивы не поддерживаются). Операции над потоками могут выполняться как последовательно, так и параллельно.

Сначала давайте посмотрим, как работать с потоком последовательно. Сперва создадим источник в виде списка строк:

List<String> stringCollection = new ArrayList<>();
stringCollection.add("ddd2");
stringCollection.add("aaa2");
stringCollection.add("bbb1");
stringCollection.add("aaa1");
stringCollection.add("bbb3");
stringCollection.add("ccc");
stringCollection.add("bbb2");
stringCollection.add("ddd1");

В Java 8 вы можете быстро создавать потоки, используя вызовы Collection.stream() или Collection.parallelStream(). Следующие разделы объясняют наиболее распространенные операции над потоками.

Filter

Операция Filter принимает предикат, который фильтрует все элементы потока. Эта операция является промежуточной, т.е. позволяет нам вызвать другую операцию (например, forEach) над результатом. ForEach принимает функцию, которая вызывается для каждого элемента в (уже отфильтрованном) поток. ForEach является конечной операцией. Она не возращает никакого значения, поэтому дальнейший вызов потоковых операций невозможен.

stringCollection
    .stream()
    .filter((s) -> s.startsWith("a"))
    .forEach(System.out::println);

// "aaa2", "aaa1"

Sorted

Операция Sorted является промежуточной операцией, которая возвращает отсортированное представление потока. Элементы сортируются в обычном порядке, если вы не предоставили свой компаратор:

stringCollection
    .stream()
    .sorted()
    .filter((s) -> s.startsWith("a"))
    .forEach(System.out::println);

// "aaa1", "aaa2"

Помните, что sorted создает всего лишь отсортированное представление и не влияет на порядок элементов в исходной коллекции. Порядок строк в stringCollection остается нетронутым:

System.out.println(stringCollection);
// ddd2, aaa2, bbb1, aaa1, bbb3, ccc, bbb2, ddd1

Map

Промежуточная операция map преобразовывает каждый элемент в другой объект при помощи переданной функции. Следующий пример преобразовывает каждую строку в строку в верхнем регистре. Однако вы так же можете использовать map для преобразования каждого объекта в объект другого типа. Тип результирующего потока зависит от типа функции, которую вы передаете при вызове map.

stringCollection
    .stream()
    .map(String::toUpperCase)
    .sorted((a, b) -> b.compareTo(a))
    .forEach(System.out::println);

// "DDD2", "DDD1", "CCC", "BBB3", "BBB2", "AAA2", "AAA1"

Match

Для проверки, удовлетворяет ли поток заданному предикату, используются различные операции сопоставления (match). Все операции сопоставления являются конечными и возвращают результат типа boolean.

boolean anyStartsWithA = 
    stringCollection
        .stream()
        .anyMatch((s) -> s.startsWith("a"));

System.out.println(anyStartsWithA);      // true

boolean allStartsWithA = 
    stringCollection
        .stream()
        .allMatch((s) -> s.startsWith("a"));

System.out.println(allStartsWithA);      // false

boolean noneStartsWithZ = 
    stringCollection
        .stream()
        .noneMatch((s) -> s.startsWith("z"));

System.out.println(noneStartsWithZ);      // true

Count

Операция Count является конечной операцией и возвращает количество элементов в потоке. Типом возвращаемого значения является long.

long startsWithB = 
    stringCollection
        .stream()
        .filter((s) -> s.startsWith("b"))
        .count();

System.out.println(startsWithB);    // 3

Reduce

Эта конечная операция производит свертку элементов потока по заданной функции. Результатом является опциональное значение.

Optional<String> reduced =
    stringCollection
        .stream()
        .sorted()
        .reduce((s1, s2) -> s1 + "#" + s2);

reduced.ifPresent(System.out::println);
// "aaa1#aaa2#bbb1#bbb2#bbb3#ccc#ddd1#ddd2"

Параллельные потоки

Как уже упоминалось выше, потоки могут быть последовательными и параллельными. Операции над последовательными потоками выполняются в одном потоке процессора, над параллельными — используя несколько потоков процессора.

Следующие пример демонстрирует, как можно легко увеличить скорость работы, используя параллельные потоки.

Сперва создадим большой список из уникальных элементов:

int max = 1000000;
List<String> values = new ArrayList<>(max);
for (int i = 0; i < max; i++) {
    UUID uuid = UUID.randomUUID();
    values.add(uuid.toString());
}

Теперь измерим время сортировки этого списка.

Последовательная сортировка

long t0 = System.nanoTime();

long count = values.stream().sorted().count();
System.out.println(count);

long t1 = System.nanoTime();

long millis = TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(t1 - t0);
System.out.println(String.format("sequential sort took: %d ms", millis));

// sequential sort took: 899 ms

Параллельная сортировка

long t0 = System.nanoTime();

long count = values.parallelStream().sorted().count();
System.out.println(count);

long t1 = System.nanoTime();

long millis = TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(t1 - t0);
System.out.println(String.format("parallel sort took: %d ms", millis));

// parallel sort took: 472 ms

Как вы можете видеть, оба куска кода практически идентичны, однако параллельная сортировка почти в два раза быстрее. Все, что вам нужно сделать, это заменить вызов stream() на parallelStream().

Ассоциативные массивы

Как уже упоминалось, ассоциативные массивы (maps) не поддерживают потоки. Вместо этого ассоциативные массивы теперь поддерживают различные полезные методы, которые решают часто встречаемые задачи.

Map<Integer, String> map = new HashMap<>();

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    map.putIfAbsent(i, "val" + i);
}

map.forEach((id, val) -> System.out.println(val));

Этот код в особых комментариях не нуждается: putIfAbsent позволяет нам не писать дополнительные проверки на null; forEach принимает потребителя, который производит операцию над каждым элементом массива.

Этот код показывает как использовать для вычислений код при помощи различных функций:

map.computeIfPresent(3, (num, val) -> val + num);
map.get(3);             // val33

map.computeIfPresent(9, (num, val) -> null);
map.containsKey(9);     // false

map.computeIfAbsent(23, num -> "val" + num);
map.containsKey(23);    // true

map.computeIfAbsent(3, num -> "bam");
map.get(3);             // val33

Затем мы узнаем, как удалить объект по ключу, только если этот объект ассоциирован с ключом:

map.remove(3, "val3");
map.get(3);             // val33

map.remove(3, "val33");
map.get(3);             // null

Еще один полезный метод:

map.getOrDefault(42, "not found");  // not found

Объединить записи двух массивов? Легко:

map.merge(9, "val9", (value, newValue) -> value.concat(newValue));
map.get(9);             // val9

map.merge(9, "concat", (value, newValue) -> value.concat(newValue));
map.get(9);             // val9concat

В случае отсутствия ключа Merge создает новую пару ключ-значение. В противном случае — вызывает функцию объединения для существующего значения.

API для работы с датами

Java 8 содержит совершенно новый API для работы с датами и временем, расположенный в пакете java.time. Новый API сравним с библиотекой Joda-Time, однако имеются отличия. Следующие разделы рассказывают о наиболее важных частях нового API.

Clock

Тип Clock предоставляет доступ к текущей дате и времени. Этот тип знает о часовых поясах и может использоваться вместо вызова System.currentTimeMillis() для возвращения миллисекунд. Такая точная дата также может быть представлена классом Instant. Объекты этого класса могут быть использованы для создания объектов устаревшего типа
java.util.Date.

Clock clock = Clock.systemDefaultZone();
long millis = clock.millis();

Instant instant = clock.instant();
Date legacyDate = Date.from(instant);   // legacy java.util.Date

Часовые пояса

Часовые пояса представлены типом ZoneId. Доступ к ним можно получить при помощи статических фабричных методов. Часовые пояса содержат смещения, которые важны для конвертации дат и времени в местные.

System.out.println(ZoneId.getAvailableZoneIds());
// prints all available timezone ids

ZoneId zone1 = ZoneId.of("Europe/Berlin");
ZoneId zone2 = ZoneId.of("Brazil/East");
System.out.println(zone1.getRules());
System.out.println(zone2.getRules());

// ZoneRules[currentStandardOffset=+01:00]
// ZoneRules[currentStandardOffset=-03:00]

LocalTime

Тип LocalTime представляет собой время с учетом часового пояса, например, 10pm или 17:30:15. В следующем примере создаются два местных времени для часовых поясов, определенных выше. Затем оба времени сравниваются, и вычисляется разница между ними в часах и минутах.

LocalTime now1 = LocalTime.now(zone1);
LocalTime now2 = LocalTime.now(zone2);

System.out.println(now1.isBefore(now2));  // false

long hoursBetween = ChronoUnit.HOURS.between(now1, now2);
long minutesBetween = ChronoUnit.MINUTES.between(now1, now2);

System.out.println(hoursBetween);       // -3
System.out.println(minutesBetween);     // -239

Тип LocalTime содержит различные фабричные методы, которые упрощают создание новых экземпляров, а также парсинг строк.

LocalTime late = LocalTime.of(23, 59, 59);
System.out.println(late);       // 23:59:59

DateTimeFormatter germanFormatter =
    DateTimeFormatter
        .ofLocalizedTime(FormatStyle.SHORT)
        .withLocale(Locale.GERMAN);

LocalTime leetTime = LocalTime.parse("13:37", germanFormatter);
System.out.println(leetTime);   // 13:37

LocalDate

Тип LocalDate представляет конкретную дату, например, 2014-03-11. Объекты LocalDate неизменяемы и являются аналогом LocalTime. Пример демонстрирует вычисление новой даты путем сложения или вычитания дней, месяцев или годов. Помните, что каждая операция возвращает новый экземпляр.

LocalDate today = LocalDate.now();
LocalDate tomorrow = today.plus(1, ChronoUnit.DAYS);
LocalDate yesterday = tomorrow.minusDays(2);

LocalDate independenceDay = LocalDate.of(2014, Month.JULY, 4);
DayOfWeek dayOfWeek = independenceDay.getDayOfWeek();
System.out.println(dayOfWeek);    // FRIDAY

Создание экземпляра LocalDate путем парсинга строки:

DateTimeFormatter germanFormatter =
    DateTimeFormatter
        .ofLocalizedDate(FormatStyle.MEDIUM)
        .withLocale(Locale.GERMAN);

LocalDate xmas = LocalDate.parse("24.12.2014", germanFormatter);
System.out.println(xmas);   // 2014-12-24

LocalDateTime

Тип LocalDateTime представляет собой комбинацию даты и времени. Объекты LocalDateTime неизменяемы и работают аналогично LocalTime и LocalDate. Мы можем использовать различные методы для извлечения конкретных значений из даты-времени:

LocalDateTime sylvester = LocalDateTime.of(2014, Month.DECEMBER, 31, 23, 59, 59);

DayOfWeek dayOfWeek = sylvester.getDayOfWeek();
System.out.println(dayOfWeek);      // WEDNESDAY

Month month = sylvester.getMonth();
System.out.println(month);          // DECEMBER

long minuteOfDay = sylvester.getLong(ChronoField.MINUTE_OF_DAY);
System.out.println(minuteOfDay);    // 1439

Путем добавления информации о часовом поясе мы можем получить Instant.

Instant instant = sylvester
        .atZone(ZoneId.systemDefault())
        .toInstant();

Date legacyDate = Date.from(instant);
System.out.println(legacyDate);     // Wed Dec 31 23:59:59 CET 2014

Форматирование даты-времени работает так же, как и форматирование даты или времени. Мы можем использовать библиотечные или свои собственные шаблоны.

DateTimeFormatter formatter =
    DateTimeFormatter
        .ofPattern("MMM dd, yyyy - HH:mm");

LocalDateTime parsed = LocalDateTime.parse("Nov 03, 2014 - 07:13", formatter);
String string = formatter.format(parsed);
System.out.println(string);     // Nov 03, 2014 - 07:13

В отличии от java.text.NumberFormat, новый DateTimeFormatter является неизменяемым и потокобезопасным.

Подробно о синтаксисе шаблонов можно почитать здесь.

Аннотации

Аннотации в Java 8 являются повторяемыми. Давайте сразу посмотрим пример, чтобы понять, что это такое.

Сперва мы определим аннотацию-обертку, которая содержит массив аннотаций:

@interface Hints {
    Hint[] value();
}

@Repeatable(Hints.class)
@interface Hint {
    String value();
}

Java 8 позволяет нам использовать множество аннотаций одного типа путем указания аннотации @Repeatable.

Вариант 1: использовать аннотацию-контейнер (старый способ)

@Hints({@Hint("hint1"), @Hint("hint2")})
class Person {}

Вариант 2: использовать повторяемую аннотацию (новый способ)

@Hint("hint1")
@Hint("hint2")
class Person {}

При использовании варианта 2 компилятор автоматически подставляет аннотацию @Hints. Это важно при чтении информации об аннотациях через рефлексию.

Hint hint = Person.class.getAnnotation(Hint.class);
System.out.println(hint);                   // null

Hints hints1 = Person.class.getAnnotation(Hints.class);
System.out.println(hints1.value().length);  // 2

Hint[] hints2 = Person.class.getAnnotationsByType(Hint.class);
System.out.println(hints2.length);          // 2

Хотя мы никогда не объявляли аннотацию @Hints в классе Person, она доступна нам при вызове getAnnotation(Hints.class). Однако более удобным является метод getAnnotationsByType, который напрямую предоставляет доступ ко всем аннотациям @Hint.

Более того, аннотации в Java 8 можно использовать еще на двух элементах:

@Target({ElementType.TYPE_PARAMETER, ElementType.TYPE_USE})
@interface MyAnnotation {}

Вот и все

На этом введение в программирование на Java 8 завершено. Вам остается самостоятельно изучить другие новинки JDK 1.8, например, Arrays.parallelSort, StampedLock, CompletableFuture и другие.

Полный исходный код статьи доступен на GitHub.