java中的Stream流

Posted 2021-12-29 heliusking

java中的Stream流

说到Stream便容易想到I/O Stream，而实际上，谁规定“流”就一定是“IO流”呢？在Java 8中，得益于Lambda所带 来的函数式编程，引入了一个全新的Stream概念，用于解决已有集合类库既有的弊端。

一、引言

传统集合的多步遍历代码

几乎所有的集合（如 Collection 接口或 Map 接口等）都支持直接或间接的遍历操作。而当我们需要对集合中的元 素进行操作的时候，除了必需的添加、删除、获取外，典型的就是集合遍历。

循环遍历的弊端

Java 8的Lambda让我们可以更加专注于做什么（What），而不是怎么做（How），这点此前已经结合内部类进行 了对比说明。现在，我们仔细体会一下上例代码，可以发现：

• for循环的语法就是“怎么做”
• for循环的循环体才是“做什么”

为什么使用循环？因为要进行遍历。但循环是遍历的唯一方式吗？遍历是指每一个元素逐一进行处理，而并不是从 第一个到最后一个顺次处理的循环。前者是目的，后者是方式。

试想一下，如果希望对集合中的元素进行筛选过滤：

1. 将集合A根据条件一过滤为子集B；

2. 然后再根据条件二过滤为子集C。

   那怎么办？在Java 8之前的做法可能为：

   public class Demo01List 
       public static void main(String[] args) 
   
           List<String> list = new ArrayList<>();
           list.add("张无忌");
           list.add("周芷若");
           list.add("赵敏");
           list.add("张强");
           list.add("张三丰");
   
           //对list集合中的元素进行过滤,只要以张开头的元素,存储到一个新的集合中
           List<String> listA = new ArrayList<>();
           for (String s : list) 
               if (s.startsWith("张")) 
                   listA.add(s);
               
           
   
           //对listA集合进行过滤,只要姓名长度为3的人,存储到一个新集合中
           List<String> listB = new ArrayList<>();
           for (String s : listA) 
               if (s.length() == 3) 
                   listB.add(s);
               
           
   
           //遍历listB集合
           for (String s : listB) 
               System.out.println(s);
           
       
   

   这段代码中含有三个循环，每一个作用不同：

   1. 首先筛选所有姓张的人；
   2. 然后筛选名字有三个字的人；
   3. 后进行对结果进行打印输出。

   每当我们需要对集合中的元素进行操作的时候，总是需要进行循环、循环、再循环。这是理所当然的么？不是。循 环是做事情的方式，而不是目的。另一方面，使用线性循环就意味着只能遍历一次。如果希望再次遍历，只能再使 用另一个循环从头开始。

   那，Lambda的衍生物Stream能给我们带来怎样更加优雅的写法呢？

Stream的更优写法

下面来看一下借助Java8的Stream API,什么才叫优雅：

public class Demo02Stream 
    public static void main(String[] args) 
        //创建一个List集合,存储姓名
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("张无忌");
        list.add("周芷若");
        list.add("赵敏");
        list.add("张强");
        list.add("张三丰");

        //对list集合中的元素进行过滤,只要以张开头的元素,存储到一个新的集合中
        //对listA集合进行过滤,只要姓名长度为3的人,存储到一个新集合中
        //遍历listB集合
        list.stream()
                .filter(name -> name.startsWith("张"))
                .filter(name -> name.length() == 3)
                .forEach(name -> System.out.println(name));
    

直接阅读代码的字面意思即可完美展示无关逻辑方式的语义：获取流、过滤姓张、过滤长度为3、逐一打印。代码 中并没有体现使用线性循环或是其他任何算法进行遍历，我们真正要做的事情内容被更好地体现在代码中。

二、流式思想概述

注意：请暂时忘记对传统IO流的固有印象！
整体来看，流式思想类似于工厂车间的“生产流水线”。

当需要对多个元素进行操作（特别是多步操作）的时候，考虑到性能及便利性，我们应该首先拼好一个“模型”步骤 方案，然后再按照方案去执行它。

这张图中展示了过滤、映射、跳过、计数等多步操作，这是一种集合元素的处理方案，而方案就是一种“函数模 型”。图中的每一个方框都是一个“流”，调用指定的方法，可以从一个流模型转换为另一个流模型。而右侧的数字 3是终结果。

这里的 filter 、 map 、 skip 都是在对函数模型进行操作，集合元素并没有真正被处理。只有当终结方法 count 执行的时候，整个模型才会按照指定策略执行操作。而这得益于Lambda的延迟执行特性。

备注：“Stream流”其实是一个集合元素的函数模型，它并不是集合，也不是数据结构，其本身并不存储任何 元素（或其地址值）。

Stream（流）是一个来自数据源的元素队列

• 元素是特定类型的对象，形成一个队列。 Java中的Stream并不会存储元素，而是按需计算。
• 数据源 流的来源。 可以是集合，数组 等。

和以前的Collection操作不同， Stream操作还有两个基础的特征：

• Pipelining: 中间操作都会返回流对象本身。 这样多个操作可以串联成一个管道， 如同流式风格（?uent style）。 这样做可以对操作进行优化， 比如延迟执行(laziness)和短路( short-circuiting)。
• 内部迭代： 以前对集合遍历都是通过Iterator或者增强for的方式, 显式的在集合外部进行迭代， 这叫做外部迭 代。 Stream提供了内部迭代的方式，流可以直接调用遍历方法。

当使用一个流的时候，通常包括三个基本步骤：获取一个数据源（source）→ 数据转换→执行操作获取想要的结 果，每次转换原有 Stream 对象不改变，返回一个新的 Stream 对象（可以有多次转换），这就允许对其操作可以 像链条一样排列，变成一个管道。

三、获取流

java.util.stream.Stream<T> 是Java 8新加入的常用的流接口。（这并不是一个函数式接口。）
获取一个流非常简单，有以下几种常用的方式：

• 所有的 Collection 集合都可以通过 stream 默认方法获取流；

• Stream 接口的静态方法 of 可以获取数组对应的流。

根据Collection & Map & Array 获取流 &

首先， java.util.Collection 接口中加入了default方法 stream 用来获取流，所以其所有实现类均可获取流。

java.util.Map 接口不是 Collection 的子接口，且其K-V数据结构不符合流元素的单一特征，所以获取对应的流 需要分key、value或entry等情况：

如果使用的不是集合或映射而是数组，由于数组对象不可能添加默认方法，所以 Stream 接口中提供了静态方法 of ，使用很简单：

备注： of 方法的参数其实是一个可变参数，所以支持数组。

/*
    java.util.stream.Stream<T>是Java 8新加入的最常用的流接口。（这并不是一个函数式接口。）
    获取一个流非常简单，有以下几种常用的方式：
        - 所有的Collection集合都可以通过stream默认方法获取流；
            default Stream<E> stream?()
        - Stream接口的静态方法of可以获取数组对应的流。
            static <T> Stream<T> of?(T... values)
            参数是一个可变参数,那么我们就可以传递一个数组
 */
public class Demo01GetStream 
    public static void main(String[] args) 
        //把集合转换为Stream流
        List<String> list = new ArrayList<>();
        Stream<String> stream1 = list.stream();

        Set<String> set = new HashSet<>();
        Stream<String> stream2 = set.stream();

        Map<String,String> map = new HashMap<>();
        //获取键,存储到一个Set集合中
        Set<String> keySet = map.keySet();
        Stream<String> stream3 = keySet.stream();

        //获取值,存储到一个Collection集合中
        Collection<String> values = map.values();
        Stream<String> stream4 = values.stream();

        //获取键值对(键与值的映射关系 entrySet)
        Set<Map.Entry<String, String>> entries = map.entrySet();
        Stream<Map.Entry<String, String>> stream5 = entries.stream();

        //把数组转换为Stream流
        Stream<Integer> stream6 = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5);
        //可变参数可以传递数组
        Integer[] arr = 1,2,3,4,5;
        Stream<Integer> stream7 = Stream.of(arr);
        String[] arr2 = "a","bb","ccc";
        Stream<String> stream8 = Stream.of(arr2);
    

四、常用方法

流模型的操作很丰富，这里介绍一些常用的API。这些方法可以被分成两种：

• 延迟方法：返回值类型仍然是 Stream 接口自身类型的方法，因此支持链式调用。（除了终结方法外，其余方 法均为延迟方法。）
• 终结方法：返回值类型不再是 Stream 接口自身类型的方法，因此不再支持类似 StringBuilder 那样的链式调 用。本小节中，终结方法包括 count 和 forEach 方法。

备注：本小节之外的更多方法，请自行参考API文档。

逐一处理：forEach

虽然方法名字叫 forEach ，但是与for循环中的“for-each”昵称不同。

 void forEach(Consumer<? super T> action);

该方法接收一个 Consumer 接口函数，会将每一个流元素交给该函数进行处理。

基本使用：

public class Demo02Stream_forEach 
    public static void main(String[] args) 
        //获取一个Stream流
        Stream<String> stream = Stream.of("张三", "李四", "王五", "赵六", "田七");
        stream.forEach(name->System.out.println(name));
    

过滤：filter

可以通过 filter 方法将一个流转换成另一个子集流。方法签名：

    Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate);

该接口接收一个 Predicate 函数式接口参数（可以是一个Lambda或方法引用）作为筛选条件

基本使用：

/*
    Stream流中的常用方法_filter:用于对Stream流中的数据进行过滤
    Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate);
    filter方法的参数Predicate是一个函数式接口,所以可以传递Lambda表达式,对数据进行过滤
    Predicate中的抽象方法:
        boolean test(T t);
 */
public class Demo03Stream_filter 
    public static void main(String[] args) 
        //创建一个Stream流
        Stream<String> stream = Stream.of("张三丰", "张翠山", "赵敏", "周芷若", "张无忌");
        //对Stream流中的元素进行过滤,只要姓张的人
        Stream<String> stream2 = stream.filter((String name)->return name.startsWith("张"););
        //遍历stream2流
        stream2.forEach(name-> System.out.println(name));

        /*
            Stream流属于管道流,只能被消费(使用)一次
            第一个Stream流调用完毕方法,数据就会流转到下一个Stream上
            而这时第一个Stream流已经使用完毕,就会关闭了
            所以第一个Stream流就不能再调用方法了
            IllegalStateException: stream has already been operated upon or closed
         */
        //遍历stream流
        stream.forEach(name-> System.out.println(name));
    

映射：map

如果需要将流中的元素映射到另一个流中，可以使用 map 方法。方法签名：

<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);

该接口需要一个 Function 函数式接口参数，可以将当前流中的T类型数据转换为另一种R类型的流，称为映射。

基本使用

public class Demo04Stream_map 
    public static void main(String[] args) 
        //获取一个String类型的Stream流
        Stream<String> stream = Stream.of("1", "2", "3", "4");
        //使用map方法,把字符串类型的整数,转换(映射)为Integer类型的整数
        Stream<Integer> stream2 = stream.map((String s)->
            return Integer.parseInt(s);
        );
        //遍历Stream2流
        stream2.forEach(i-> System.out.println(i));
    

统计个数：count

正如旧集合 Collection 当中的 size 方法一样，流提供 count 方法来数一数其中的元素个数：

long count();

该方法返回一个long值代表元素个数（不再像旧集合那样是int值）。

基本使用：

public class Demo05Stream_count 
    public static void main(String[] args) 
        //获取一个Stream流
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        list.add(4);
        list.add(5);
        list.add(6);
        list.add(7);
        Stream<Integer> stream = list.stream();
        long count = stream.count();
        System.out.println(count);//输出7
    

取用前几个：limit

`limit方法可以对流进行截取，只取用前n个，方法签名：

    Stream<T> limit(long maxSize);

基本使用：

public class Demo06Stream_limit 
    public static void main(String[] args) 
        //获取一个Stream流
        String[] arr = "美羊羊","喜洋洋","懒洋洋","灰太狼","红太狼";
        Stream<String> stream = Stream.of(arr);
        //使用limit对Stream流中的元素进行截取,只要前3个元素
        Stream<String> stream2 = stream.limit(3);
        //遍历stream2流
        stream2.forEach(name-> System.out.println(name));
    

跳过前几个：skip

如果希望跳过前几个元素，可以使用 skip 方法获取一个截取之后的新流：

  Stream<T> skip(long n);

如果流的当前长度大于n，则跳过前n个；否则将会得到一个长度为0的空流。

基本使用：

public class Demo07Stream_skip 
    public static void main(String[] args) 
        //获取一个Stream流
        String[] arr = "美羊羊","喜洋洋","懒洋洋","灰太狼","红太狼";
        Stream<String> stream = Stream.of(arr);
        //使用skip方法跳过前3个元素
        Stream<String> stream2 = stream.skip(3);
        //遍历stream2流
        stream2.forEach(name-> System.out.println(name));
    

// 灰太狼
// 红太狼

组合：concat

如果有两个流，希望合并成为一个流，那么可以使用 Stream 接口的静态方法 concat ：

    public static <T> Stream<T> concat(Stream<? extends T> a, Stream<? extends T> b) 
        Objects.requireNonNull(a);
        Objects.requireNonNull(b);

        @SuppressWarnings("unchecked")
        Spliterator<T> split = new Streams.ConcatSpliterator.OfRef<>(
                (Spliterator<T>) a.spliterator(), (Spliterator<T>) b.spliterator());
        Stream<T> stream = StreamSupport.stream(split, a.isParallel() || b.isParallel());
        return stream.onClose(Streams.composedClose(a, b));
    

基本使用：

public class Demo08Stream_concat 
    public static void main(String[] args) 
        //创建一个Stream流
        Stream<String> stream1 = Stream.of("张三丰", "张翠山", "赵敏", "周芷若", "张无忌");
        //获取一个Stream流
        String[] arr = "美羊羊","喜洋洋","懒洋洋","灰太狼","红太狼";
        Stream<String> stream2 = Stream.of(arr);
        //把以上两个流组合为一个流
        Stream<String> concat = Stream.concat(stream1, stream2);
        //遍历concat流
        concat.forEach(name-> System.out.println(name));