Java8特性详解 lambda表达式 Stream

Posted 2021-12-30 xiuyuanpingjie

1.lambda表达式

Java8最值得学习的特性就是Lambda表达式和Stream API，如果有python或者javascript的语言基础，对理解Lambda表达式有很大帮助，因为Java正在将自己变的更高（Sha）级（Gua），更人性化。--------可以这么说lambda表达式其实就是实现SAM接口的语法糖。

lambda写的好可以极大的减少代码冗余，同时可读性也好过冗长的内部类，匿名类。

先列举两个常见的简化（简单的代码同样好理解）

• 创建线程

• 排序

lambda表达式配合Java8新特性Stream API可以将业务功能通过函数式编程简洁的实现。(为后面的例子做铺垫)

例如：

这段代码就是对一个字符串的列表，把其中包含的每个字符串都转换成全小写的字符串。注意代码第四行的map方法调用，这里map方法就是接受了一个lambda表达式。

1.1lambda表达式语法

1.1.1lambda表达式的一般语法

(Type1 param1, Type2 param2, ..., TypeN paramN) -> 
  statment1;
  statment2;
  //.............
  return statmentM;

这是lambda表达式的完全式语法，后面几种语法是对它的简化。

1.1.2单参数语法

param1 -> 
  statment1;
  statment2;
  //.............
  return statmentM;

当lambda表达式的参数个数只有一个，可以省略小括号

例如：将列表中的字符串转换为全小写

List<String> proNames = Arrays.asList(new String[]"Ni","Hao","Lambda");
List<String> lowercaseNames1 = proNames.stream().map(name -> return name.toLowerCase();).collect(Collectors.toList());

1.1.3单语句写法

param1 -> statment

当lambda表达式只包含一条语句时，可以省略大括号、return和语句结尾的分号

例如：将列表中的字符串转换为全小写

List<String> proNames = Arrays.asList(new String[]"Ni","Hao","Lambda");

List<String> lowercaseNames2 = proNames.stream().map(name -> name.toLowerCase()).collect(Collectors.toList());

1.1.4方法引用写法

（方法引用和lambda一样是Java8新语言特性，后面会讲到）

Class or instance :: method

例如：将列表中的字符串转换为全小写

List<String> proNames = Arrays.asList(new String[]"Ni","Hao","Lambda");

List<String> lowercaseNames3 = proNames.stream().map(String::toLowerCase).collect(Collectors.toList());

1.2lambda表达式可使用的变量

先举例：

//将为列表中的字符串添加前缀字符串
String waibu = "lambda :";
List<String> proStrs = Arrays.asList(new String[]"Ni","Hao","Lambda");
List<String>execStrs = proStrs.stream().map(chuandi ->
Long zidingyi = System.currentTimeMillis();
return waibu + chuandi + " -----:" + zidingyi;
).collect(Collectors.toList());
execStrs.forEach(System.out::println);

输出:

lambda :Ni -----:1474622341604
lambda :Hao -----:1474622341604
lambda :Lambda -----:1474622341604

 

变量waibu ：外部变量

变量chuandi ：传递变量

变量zidingyi ：内部自定义变量

 

lambda表达式可以访问给它传递的变量，访问自己内部定义的变量，同时也能访问它外部的变量。

不过lambda表达式访问外部变量有一个非常重要的限制：变量不可变（只是引用不可变，而不是真正的不可变）。

当在表达式内部修改waibu = waibu + " ";时，IDE就会提示你：

Local variable waibu defined in an enclosing scope must be final or effectively final

编译时会报错。因为变量waibu被lambda表达式引用，所以编译器会隐式的把其当成final来处理。

以前Java的匿名内部类在访问外部变量的时候，外部变量必须用final修饰。现在java8对这个限制做了优化，可以不用显示使用final修饰，但是编译器隐式当成final来处理。

1.3lambda表达式中的this概念

在lambda中，this不是指向lambda表达式产生的那个SAM对象，而是声明它的外部对象。

例如：

public class WhatThis

     public void whatThis()
           //转全小写
           List<String> proStrs = Arrays.asList(new String[]"Ni","Hao","Lambda");
           List<String> execStrs = proStrs.stream().map(str ->
                 System.out.println(this.getClass().getName());
                 return str.toLowerCase();
           ).collect(Collectors.toList());
           execStrs.forEach(System.out::println);
     

     public static void main(String[] args)
           WhatThis wt = new WhatThis();
           wt.whatThis();
     

输出：

com.wzg.test.WhatThis
com.wzg.test.WhatThis
com.wzg.test.WhatThis
ni
hao
lambda

2.方法引用和构造器引用

本人认为是进一步简化lambda表达式的声明的一种语法糖。

前面的例子中已有使用到： execStrs.forEach(System.out::println);

2.1方法引用

objectName::instanceMethod

ClassName::staticMethod

ClassName::instanceMethod

前两种方式类似，等同于把lambda表达式的参数直接当成instanceMethod|staticMethod的参数来调用。比如System.out::println等同于x->System.out.println(x)；Math::max等同于(x, y)->Math.max(x,y)。

最后一种方式，等同于把lambda表达式的第一个参数当成instanceMethod的目标对象，其他剩余参数当成该方法的参数。比如String::toLowerCase等同于x->x.toLowerCase()。

可以这么理解，前两种是将传入对象当参数执行方法，后一种是调用传入对象的方法。

2.2构造器引用

构造器引用语法如下：ClassName::new，把lambda表达式的参数当成ClassName构造器的参数 。例如BigDecimal::new等同于x->new BigDecimal(x)。

3.Stream语法

两句话理解Stream：

1.Stream是元素的集合，这点让Stream看起来用些类似Iterator；
2.可以支持顺序和并行的对原Stream进行汇聚的操作；

大家可以把Stream当成一个装饰后的Iterator。原始版本的Iterator，用户只能逐个遍历元素并对其执行某些操作；包装后的Stream，用户只要给出需要对其包含的元素执行什么操作，比如“过滤掉长度大于10的字符串”、“获取每个字符串的首字母”等，具体这些操作如何应用到每个元素上，就给Stream就好了！原先是人告诉计算机一步一步怎么做，现在是告诉计算机做什么，计算机自己决定怎么做。当然这个“怎么做”还是比较弱的。

例子：

//Lists是Guava中的一个工具类
List<Integer> nums = Lists.newArrayList(1,null,3,4,null,6);
nums.stream().filter(num -> num != null).count();

上面这段代码是获取一个List中，元素不为null的个数。这段代码虽然很简短，但是却是一个很好的入门级别的例子来体现如何使用Stream，正所谓“麻雀虽小五脏俱全”。我们现在开始深入解刨这个例子，完成以后你可能可以基本掌握Stream的用法！

图片就是对于Stream例子的一个解析，可以很清楚的看见：原本一条语句被三种颜色的框分割成了三个部分。红色框中的语句是一个Stream的生命开始的地方，负责创建一个Stream实例；绿色框中的语句是赋予Stream灵魂的地方，把一个Stream转换成另外一个Stream，红框的语句生成的是一个包含所有nums变量的Stream，进过绿框的filter方法以后，重新生成了一个过滤掉原nums列表所有null以后的Stream；蓝色框中的语句是丰收的地方，把Stream的里面包含的内容按照某种算法来汇聚成一个值，例子中是获取Stream中包含的元素个数。如果这样解析以后，还不理解，那就只能动用“核武器”–图形化，一图抵千言！

使用Stream的基本步骤：

1.创建Stream；
2.转换Stream，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**）；
3.对Stream进行聚合（Reduce）操作，获取想要的结果；

3.1怎么得到Stream

最常用的创建Stream有两种途径：

1.通过Stream接口的静态工厂方法（注意：Java8里接口可以带静态方法）；
2.通过Collection接口的默认方法（默认方法：Default method，也是Java8中的一个新特性，就是接口中的一个带有实现的方法）–stream()，把一个Collection对象转换成Stream

3.1.1 使用Stream静态方法来创建Stream

1. of方法：有两个overload方法，一个接受变长参数，一个接口单一值

Stream<Integer> integerStream = Stream.of(1, 2, 3, 5);
Stream<String> stringStream = Stream.of("taobao");

2. generator方法：生成一个无限长度的Stream，其元素的生成是通过给定的Supplier（这个接口可以看成一个对象的工厂，每次调用返回一个给定类型的对象）

Stream.generate(new Supplier<Double>()
    @Override
    public Double get()
         return Math.random();
   
);

Stream.generate(() -> Math.random());
Stream.generate(Math::random);
三条语句的作用都是一样的，只是使用了lambda表达式和方法引用的语法来简化代码。每条语句其实都是生成一个无限长度的Stream，其中值是随机的。这个无限长度Stream是懒加载，一般这种无限长度的Stream都会配合Stream的limit()方法来用。

3. iterate方法：也是生成无限长度的Stream，和generator不同的是，其元素的生成是重复对给定的种子值(seed)调用用户指定函数来生成的。其中包含的元素可以认为是：seed，f(seed),f(f(seed))无限循环

Stream.iterate(1, item -> item + 1).limit(10).forEach(System.out::println);
这段代码就是先获取一个无限长度的正整数集合的Stream，然后取出前10个打印。千万记住使用limit方法，不然会无限打印下去。

3.1.2通过Collection子类获取Stream

Collection接口有一个stream方法，所以其所有子类都都可以获取对应的Stream对象。

public interface Collection<E> extends Iterable<E>
      //其他方法省略
     default Stream<E> stream()
          return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
     

3.2转换Stream

转换Stream其实就是把一个Stream通过某些行为转换成一个新的Stream。Stream接口中定义了几个常用的转换方法，下面我们挑选几个常用的转换方法来解释。
1. distinct: 对于Stream中包含的元素进行去重操作（去重逻辑依赖元素的equals方法），新生成的Stream中没有重复的元素；

2. filter: 对于Stream中包含的元素使用给定的过滤函数进行过滤操作，新生成的Stream只包含符合条件的元素；

3. map: 对于Stream中包含的元素使用给定的转换函数进行转换操作，新生成的Stream只包含转换生成的元素。这个方法有三个对于原始类型的变种方法，分别是：mapToInt，mapToLong和mapToDouble。这三个方法也比较好理解，比如mapToInt就是把原始Stream转换成一个新的Stream，这个新生成的Stream中的元素都是int类型。之所以会有这样三个变种方法，可以免除自动装箱/拆箱的额外消耗；

4. flatMap：和map类似，不同的是其每个元素转换得到的是Stream对象，会把子Stream中的元素压缩到父集合中；

flatMap给一段代码理解：

Stream<List<Integer>> inputStream = Stream.of(
 Arrays.asList(1),
 Arrays.asList(2, 3),
 Arrays.asList(4, 5, 6)
 );
Stream<Integer> outputStream = inputStream.
flatMap((childList) -> childList.stream());

flatMap 把 input Stream 中的层级结构扁平化，就是将最底层元素抽出来放到一起，最终 output 的新 Stream 里面已经没有 List 了，都是直接的数字。

 

5. peek: 生成一个包含原Stream的所有元素的新Stream，同时会提供一个消费函数（Consumer实例），新Stream每个元素被消费的时候都会执行给定的消费函数；

6. limit: 对一个Stream进行截断操作，获取其前N个元素，如果原Stream中包含的元素个数小于N，那就获取其所有的元素；

7. skip: 返回一个丢弃原Stream的前N个元素后剩下元素组成的新Stream，如果原Stream中包含的元素个数小于N，那么返回空Stream；

 

整体调用例子：

 

List<Integer> nums = Lists.newArrayList(1,1,null,2,3,4,null,5,6,7,8,9,10);
System.out.println(“sum is:”+nums.stream().filter(num -> num != null).distinct().mapToInt(num -> num * 2).peek(System.out::println).skip(2).limit(4).sum());

这段代码演示了上面介绍的所有转换方法（除了flatMap），简单解释一下这段代码的含义：给定一个Integer类型的List，获取其对应的Stream对象，然后进行过滤掉null，再去重，再每个元素乘以2，再每个元素被消费的时候打印自身，在跳过前两个元素，最后去前四个元素进行加和运算(解释一大堆，很像废话，因为基本看了方法名就知道要做什么了。这个就是声明式编程的一大好处！)。大家可以参考上面对于每个方法的解释，看看最终的输出是什么。

 

2
4
6
8
10
12
sum is:36

可能会有这样的疑问：在对于一个Stream进行多次转换操作，每次都对Stream的每个元素进行转换，而且是执行多次，这样时间复杂度就是一个for循环里把所有操作都做掉的N（转换的次数）倍啊。其实不是这样的，转换操作都是lazy的，多个转换操作只会在汇聚操作（见下节）的时候融合起来，一次循环完成。我们可以这样简单的理解，Stream里有个操作函数的集合，每次转换操作就是把转换函数放入这个集合中，在汇聚操作的时候循环Stream对应的集合，然后对每个元素执行所有的函数。

 

3.3汇聚（Reduce）Stream

汇聚操作（也称为折叠）接受一个元素序列为输入，反复使用某个合并操作，把序列中的元素合并成一个汇总的结果。比如查找一个数字列表的总和或者最大值，或者把这些数字累积成一个List对象。Stream接口有一些通用的汇聚操作，比如reduce()和collect()；也有一些特定用途的汇聚操作，比如sum(),max()和count()。注意：sum方法不是所有的Stream对象都有的，只有IntStream、LongStream和DoubleStream是实例才有。

下面会分两部分来介绍汇聚操作：

可变汇聚：把输入的元素们累积到一个可变的容器中，比如Collection或者StringBuilder；
其他汇聚：除去可变汇聚剩下的，一般都不是通过反复修改某个可变对象，而是通过把前一次的汇聚结果当成下一次的入参，反复如此。比如reduce，count，allMatch；

3.3.1可变汇聚

可变汇聚对应的只有一个方法：collect，正如其名字显示的，它可以把Stream中的要有元素收集到一个结果容器中（比如Collection）。先看一下最通用的collect方法的定义（还有其他override方法）：

<R> R collect(Supplier<R> supplier,
BiConsumer<R, ? super T> accumulator,
BiConsumer<R, R> combiner);
先来看看这三个参数的含义：Supplier supplier是一个工厂函数，用来生成一个新的容器；BiConsumer accumulator也是一个函数，用来把Stream中的元素添加到结果容器中；BiConsumer combiner还是一个函数，用来把中间状态的多个结果容器合并成为一个（并发的时候会用到）。看晕了？来段代码！

List<Integer> nums = Lists.newArrayList(1,1,null,2,3,4,null,5,6,7,8,9,10);
List<Integer> numsWithoutNull = nums.stream().filter(num -> num != null).
collect(() -> new ArrayList<Integer>(),
(list, item) -> list.add(item),
(list1, list2) -> list1.addAll(list2));
上面这段代码就是对一个元素是Integer类型的List，先过滤掉全部的null，然后把剩下的元素收集到一个新的List中。进一步看一下collect方法的三个参数，都是lambda形式的函数。

第一个函数生成一个新的ArrayList实例；
第二个函数接受两个参数，第一个是前面生成的ArrayList对象，二个是stream中包含的元素，函数体就是把stream中的元素加入ArrayList对象中。第二个函数被反复调用直到原stream的元素被消费完毕；
第三个函数也是接受两个参数，这两个都是ArrayList类型的，函数体就是把第二个ArrayList全部加入到第一个中；
但是上面的collect方法调用也有点太复杂了，没关系！我们来看一下collect方法另外一个override的版本，其依赖[Collector](http://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/stream/Collector.html)。

<R, A> R collect(Collector<? super T, A, R> collector);
这样清爽多了！Java8还给我们提供了Collector的工具类–[Collectors](http://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/stream/Collectors.html)，其中已经定义了一些静态工厂方法，比如：Collectors.toCollection()收集到Collection中, Collectors.toList()收集到List中和Collectors.toSet()收集到Set中。这样的静态方法还有很多，这里就不一一介绍了，大家可以直接去看JavaDoc。下面看看使用Collectors对于代码的简化：

List<Integer> numsWithoutNull = nums.stream().filter(num -> num != null).
collect(Collectors.toList());

3.3.2其他汇聚

– reduce方法：reduce方法非常的通用，后面介绍的count，sum等都可以使用其实现。reduce方法有三个override的方法，本文介绍两个最常用的。先来看reduce方法的第一种形式，其方法定义如下：

Optional<T> reduce(BinaryOperator<T> accumulator);
接受一个BinaryOperator类型的参数，在使用的时候我们可以用lambda表达式来。

List<Integer> ints = Lists.newArrayList(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10);
System.out.println("ints sum is:" + ints.stream().reduce((sum, item) -&gt; sum + item).get());
可以看到reduce方法接受一个函数，这个函数有两个参数，第一个参数是上次函数执行的返回值（也称为中间结果），第二个参数是stream中的元素，这个函数把这两个值相加，得到的和会被赋值给下次执行这个函数的第一个参数。要注意的是：**第一次执行的时候第一个参数的值是Stream的第一个元素，第二个参数是Stream的第二个元素**。这个方法返回值类型是Optional，这是Java8防止出现NPE的一种可行方法，后面的文章会详细介绍，这里就简单的认为是一个容器，其中可能会包含0个或者1个对象。
这个过程可视化的结果如图：

reduce方法还有一个很常用的变种：

T reduce(T identity, BinaryOperator<T> accumulator);
这个定义上上面已经介绍过的基本一致，不同的是：它允许用户提供一个循环计算的初始值，如果Stream为空，就直接返回该值。而且这个方法不会返回Optional，因为其不会出现null值。下面直接给出例子，就不再做说明了。

List<Integer> ints = Lists.newArrayList(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10);
System.out.println("ints sum is:" + ints.stream().reduce(0, (sum, item) -> sum + item));
– count方法：获取Stream中元素的个数。比较简单，这里就直接给出例子，不做解释了。

List<Integer> ints = Lists.newArrayList(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10);
System.out.println("ints sum is:" + ints.stream().count());

– 搜索相关
– allMatch：是不是Stream中的所有元素都满足给定的匹配条件
– anyMatch：Stream中是否存在任何一个元素满足匹配条件
– findFirst: 返回Stream中的第一个元素，如果Stream为空，返回空Optional
– noneMatch：是不是Stream中的所有元素都不满足给定的匹配条件
– max和min：使用给定的比较器（Operator），返回Stream中的最大|最小值
下面给出allMatch和max的例子，剩下的方法读者当成练习。

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List<Integer&gt; ints = Lists.newArrayList(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10);
System.out.println(ints.stream().allMatch(item -> item < 100));
ints.stream().max((o1, o2) -&gt; o1.compareTo(o2)).ifPresent(System.out::println);