Kotlin 知识梳理(10) - 高阶函数：Lambda 作为形参或返回值

Kotlin 知识梳理系列文章

Kotlin 知识梳理(1) - Kotlin 基础
Kotlin 知识梳理(2) - 函数的定义与调用
Kotlin 知识梳理(3) - 类、对象和接口
Kotlin 知识梳理(4) - 数据类、类委托 及 object 关键字
Kotlin 知识梳理(5) - lambda 表达式和成员引用
Kotlin 知识梳理(6) - Kotlin 的可空性
Kotlin 知识梳理(7) - Kotlin 的类型系统
Kotlin 知识梳理(8) - 运算符重载及其他约定
Kotlin 知识梳理(9) - 委托属性
Kotlin 知识梳理(10) - 高阶函数：Lambda 作为形参或返回值
Kotlin 知识梳理(11) - 内联函数
Kotlin 知识梳理(12) - 泛型类型参数

一、本文概要

本文是对<<Kotlin in Action>>的学习笔记，如果需要运行相应的代码可以访问在线环境 try.kotlinlang.org，这部分的思维导图为：


在 Kotlin 知识梳理(5) - lambda 表达式和成员引用 中我们初步认识了lambda，这一章我们将学到如何创建 高阶函数：使用lambda作为 参数或者返回值 的函数。高阶函数有助于简化代码，去除代码重复，以及构建漂亮的抽象概念。

二、声明高阶函数

按照定义，高阶函数就是 以另一个函数作为参数或者返回值的函数，在Kotlin中，函数可以用lambda或者函数引用来表示。例如，标准库中的filter函数将一个判断式函数作为参数，因此它就是一个高阶函数。

list.filter { x > 0 }

2.1 函数类型

为了声明一个以lambda作为实参的函数，你需要知道如何声明 对应形参的类型。下面我们先看一个简单的例子，把lambda表达式保存在局部变量当中：

val sum = { x : Int, y : Int -> x + y }
val action = { println(42) }

在上面的例子中，我们省去了类型的声明。但是编译器可以推导出sum和action这两个 变量具有函数类型，这些变量的显示声明为：

//有两个 Int 型参数和 Int 型返回值的函数
val sum : (Int, Int) -> Int = {x, y -> x + y}
//没有参数和返回值的函数
val action : () -> Unit = { println(42) }

声明函数类型，需要 将函数参数类型放在括号中，紧接着是一个箭头和函数的返回类型：

(Int, String) -> Unit

Unit类型用于表示函数不返回任何有用的值，在声明一个普通的函数时，Unit类型的返回值是可以忽略的，但是一个 函数类型声明总是需要一个显示的返回类型，所以在这种场景下Unit是不能省略的。

在{x, y -> x + y}中，因为它们的类型已经在函数类型的变量声明部分指定了，不需要在lambda当中重复声明。

就像其它方法一样，函数类型的返回值也可以标记为可空类型：

var canReturnNull : (Int, Int) -> Int? = { null }

也可以定义一个 函数类型的可空变量，为了明确表示 变量本身可空，而不是函数类型的返回类型可空，你需要 将整个函数类型的定义包含在括号内并在括号后添加一个问号：

var funOrNull : ((Int, Int) -> Int)? = null

函数类型的参数名

可以为函数类型声明中的参数指定名字：

//函数类型的参数现在有了名字...
fun performRequest(url : String, callback : (code : Int, content : String) -> Unit) {
    //....
}

调用方法为：

>> val url = "http://kotl.in"
//可以使用 API 中提供的参数名字作为 lambda 参数的名字....
>> performRequest(url) { code, content -> / *...* / }
>> performRequest(url) { code, page -> / *...* / }

参数名称不会影响类型的匹配，当你声明一个lambda时，不必使用和函数类型声明中一模一样的参数名称，但命名会提升代码的可读性并且能用于IDE的代码补全。

2.2 调用作为参数的函数

下面我们讨论如何实现一个高阶函数，这个例子会尽量简单并且使用之前的lambda sum同样的声明，这个函数实现对于两个整数的任意操作，然后打印出结果：

fun twoAndThree(operation: (Int, Int) -> Int) {
    val result = operation(2, 3)
    println("The result is $result")
}

fun main(args: Array<String>) {
    twoAndThree { a, b -> a + b }
    twoAndThree { a, b -> a * b }
}

运行结果为：

>> The result is 5
>> The result is 6

调用作为参数的函数operation和调用普通函数的语法是一样：把括号放在函数名后，并把参数放在括号内。下面，让我们实现一个标准的库函数：filter函数。它会过滤掉字符串中不属于a..z范围内的字母。

fun String.filter(predicate: (Char) -> Boolean): String {
    val sb = StringBuilder()
    for (index in 0 until length) {
        val element = get(index)
        if (predicate(element)) sb.append(element)
    }
    return sb.toString()
}

filter函数以一个判断式作为参数，判断式的类型是一个函数，以字符串作为参数并返回boolean类型的值。

fun main(args: Array<String>) {
    println("ab1c".filter { it in 'a'..'z' })
}

运行结果：

>> abc

2.3 在 Java 中使用函数

背后的原理

背后的原理是：

  • 函数类型被声明为普通的接口：一个函数类型的变量是FunctionN接口的一个实现。Kotlin标准库定义了一系列的接口：Function0<R>表示没有参数的函数，Function1<P1, R>表示一个参数的函数。
  • 一个函数类型的变量就是实现了对应的Function接口的实现类的实例，每个接口定义了一个invoke方法，实现类的invoke方法包含了lambda函数体，调用这个方法就会执行函数。

在Java中可以很简单地调用使用了函数类型的Kotlin函数，Java 8的lambda会被自动转换为函数类型的值：

//Kotlin 声明
fun processTheAnswer(f : (Int) -> Int) {
    println(f(42))
}

//Java
processTheAnswer(number -> number + 1)

在旧版的Java中，可以传递一个实现了函数接口中的invoke方法的匿名内部类的实例：

>> processTheAnswer(
    new Function1<Integer, Integer>() {
        @override
        public Integer invoke(Integer number) {
            System.out.println(number);
            return number + 1;
        }
    }
)

在Java中可以很容易地使用Kotlin标准库中以lambda作为参数的扩展函数，但是必须要 显示地传递一个接收者作为第一个参数：

List<String> strings = new ArrayList();
strings.add("42");
CollectionsKt.forEach(strings, s -> {
    System.out.println(s);
    retrun Unit.INSTANCE;
});

在Java中，函数或者lambda可以返回Unit。但因为在Kotlin中Unit类型是有一个值的，所以需要显示地返回它。一个返回void的lambda不能作为返回Unit的函数类型的实参，就像之前的例子中的(String) -> Unit。

2.4 函数类型的参数默认值和 null 值

2.4.1 函数类型的参数默认值

以joinToString函数为例，我们除了可以定义前缀、后缀和分隔符以外，还可以通过最后一个 函数类型的参数 指定如何将集合当中的每个元素转换成为String，这是一个泛型函数：它有一个类型参数T表示集合中的元素的类型，Lambda transform将接收这个类型的参数，下面我们来看一下如何为它指定一个lambda作为默认值：

fun <T> Collection<T>.joinToString(
        separator: String = ", ",
        prefix: String = "",
        postfix: String = "",
        //为函数类型的参数提供默认值。
        transform: (T) -> String = { it.toString() }
): String {
    val result = StringBuilder(prefix)

    for ((index, element) in this.withIndex()) {
        if (index > 0) result.append(separator)
        //调用传入的函数。
        result.append(transform(element))
    }

    result.append(postfix)
    return result.toString()
}

fun main(args: Array<String>) {
    val letters = listOf("Alpha", "Beta")
    println(letters.joinToString())
    println(letters.joinToString { it.toLowerCase() })
    println(letters.joinToString(separator = "! ", postfix = "! ",
           transform = { it.toUpperCase() }))
}

运行结果为：

>> Alpha, Beta
>> alpha, beta
>> ALPHA! BETA!

2.4.2 声明一个参数可为空的函数类型

当声明一个参数为可空的函数类型时，不能直接调用作为参数传递进来的函数：Kotlin会因为检测到潜在的空指针而导致编译失败，在这种情况下有两种处理方式：

  • 显示地检查 null
    显示地检查null是一种比较容易理解的方法：
fun foo(callback : (() _ Unit)?) {
    if (callback != null) {
        callback()
    }
}
  • 通过安全调用语法调用
    除此之外，因为函数类型是一个包含invoke方法的接口的具体实现，作为一个普通方法，invoke可以通过安全调用语法调用：
callback?.invoke() ?: /* 默认实现 */

2.5 返回函数的函数

从函数中返回另一个函数适用于下面的场景：程序中的一段逻辑可能会因为程序的状态或者其他条件而产生变化，比如说下面的例子，运输费用的计算依赖于选择的运输方式：

//声明一个枚举类型。
enum class Delivery { STANDARD, EXPIRED }

class Order(val itemCount : Int)

//返回的函数类型为：形参为 Order 类，返回类型为 Double。
fun getShippingCalculator(delivery : Delivery) : (Order) -> Double {
    if (delivery == Delivery.EXPIRED) {
        return { order -> 6 + 2.1 * order.itemCount }
    }
    return { order -> 1.2 * order.itemCount }
}

fun main(args: Array<String>) {
    val calculator = getShippingCalculator(Delivery.EXPIRED)
    println("cost ${calculator(Order(3))}")
}

在上面的例子中，getShippingCalculator返回了一个函数，这个函数以Order作为参数并返回一个Double类型的值，要返回一个函数，需要写一个return表达式，跟上一个lambda、一个成员引用，或者其他的函数类型的表达式。

下面，我们来看一个过滤器的例子：

data class Person(val firstName : String, val phoneNumber : String?)

class ContactListFilter {
    var prefix : String = ""
    var onlyWithPhoneNumber : Boolean = false
    
    fun getPredicate() : (Person) -> Boolean {
        val startWithPrefix = { p : Person ->
            p.firstName.startsWith(prefix)
        }
        if (!onlyWithPhoneNumber) {
            return startWithPrefix
        }
        return { startWithPrefix(it) && it.phoneNumber != null }
    }
}

fun main(args: Array<String>) {
    val contacts = listOf(Person("Dmitry", "123-4567"),
                         Person("Svelana", null))
    val contactListFilters = ContactListFilter()
    contactListFilters.prefix = "S"
    contactListFilters.onlyWithPhoneNumber = false
    println(contacts.filter(contactListFilters.getPredicate()))
}

运行结果为：

>> [Person(firstName=Svelana, phoneNumber=null)]

2.6 通过 lambda 去除重复代码

我们来看一个分析网站的例子，SiteVisit类用来保存每次访问的路径、持续时间和用户的操作系统。

data class SiteVisit(
    val path: String,
    val duration: Double,
    val os: OS
)

enum class OS { WINDOWS, LINUX, MAC, IOS, ANDROID }

val log2 = listOf(
    SiteVisit("/", 34.0, OS.WINDOWS),
    SiteVisit("/", 22.0, OS.MAC),
    SiteVisit("/login", 12.0, OS.WINDOWS),
    SiteVisit("/signup", 8.0, OS.IOS),
    SiteVisit("/", 16.3, OS.ANDROID)
)

接下来，我们通过扩展函数的方式，定义一个方法用于统计 符合特定条件 的操作系统用户的平均使用时长。

fun List<SiteVisit>.averageDuration(predicate : (SiteVisit) -> Boolean) = 
    filter(predicate).map(SiteVisit::duration).average()

运行下面的代码：

fun main(args: Array<String>) {
    println(log2.averageDuration {it.os in setOf(OS.WINDOWS, OS.ANDROID) })
}

对于一些广为人知的设计模式可以使用函数类型和lambda表达式进行简化，比如策略模式。没有lambda表达式的情况下，你需要声明一个接口，并为每一种可能的策略提供实现类。使用函数类型，可以用一个通用的函数类型来描述策略，然后传递不同的lambda表达式作为不同的策略。

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