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
1 引言
1.1 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,最典型的就是集合遍历。例如:
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| import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class Demo01ForEach { 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"); for (String name : list) { System.out.println(name); } } }
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这是一段非常简单的集合遍历操作:对集合中的每一个字符串都进行打印输出操作。
1.2 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:
- 将集合A根据条件一过滤为子集B;
- 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
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| import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class Demo02NormalFilter { 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"); List<String> zhangList = new ArrayList<>(); for (String name : list) { if (name.startsWith("张")) { zhangList.add(name); } } List<String> shortList = new ArrayList<>(); for (String name : zhangList) { if (name.length() == 3) { shortList.add(name); } } for (String name : shortList) { System.out.println(name); } } }
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这段代码中含有三个循环,每一个作用不同:
- 首先筛选所有姓张的人;
- 然后筛选名字有三个字的人;
- 最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?
1.3 Stream的更优写法
下面来看一下借助Java 8的Stream API,什么才叫优雅:
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| import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class Demo03StreamFilter { 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"); list.stream() .filter(s ‐> s.startsWith("张")) .filter(s ‐> s.length() == 3) .forEach(System.out::println); } }
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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。
2 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(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。而最右侧的数字3是最终结果。
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(fluent 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。
3 获取流
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:
3.1 根据Collection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。
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| import java.util.*; import java.util.stream.Stream; public class Demo04GetStream { public static void main(String[] args) { List<String> list = new ArrayList<>(); Stream<String> stream1 = list.stream(); Set<String> set = new HashSet<>(); Stream<String> stream2 = set.stream(); Vector<String> vector = new Vector<>(); Stream<String> stream3 = vector.stream(); } }
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3.2 根据Map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:
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| import java.util.HashMap; import java.util.Map; import java.util.stream.Stream; public class Demo05GetStream { public static void main(String[] args) { Map<String, String> map = new HashMap<>(); Stream<String> keyStream = map.keySet().stream(); Stream<String> valueStream = map.values().stream(); Stream<Map.Entry<String, String>> entryStream = map.entrySet().stream(); } }
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3.3 根据数组获取流
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:
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| import java.util.stream.Stream; public class Demo06GetStream { public static void main(String[] args) { String[] array = { "张无忌", "张翠山", "张三丰", "张一元" }; Stream<String> stream = Stream.of(array); Stream<Integer> stream1 = Stream.of(1,2,3,4,5); } }
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备注: of 方法的参数其实是一个可变参数,所以支持数组。
4 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。
4.1 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。
1
| 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。
复习Consumer接口
1 2
| java.util.function.Consumer<T>接口是一个消费型接口。 Consumer接口中包含抽象方法void accept(T t),意为消费一个指定泛型的数据。
|
基本使用
forEach
方法用来遍历流中的数据,是一个终结方法,遍历之后就不能再调用流的其他方法。
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| import java.util.stream.Stream; public class Demo12StreamForEach { public static void main(String[] args) { Stream<String> stream = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); stream.forEach(name‐> System.out.println(name)); } }
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4.2 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:
1
| Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate);
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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。
复习Predicate接口
此前我们已经学习过 java.util.stream.Predicate 函数式接口,其中唯一的抽象方法为:
该方法将会产生一个boolean值结果,代表指定的条件是否满足。如果结果为true,那么Stream流的 filter 方法将会留用元素;如果结果为false,那么 filter 方法将会舍弃元素。
基本使用
Stream流中的 filter 方法基本使用的代码如
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| import java.util.stream.Stream; public class Demo07StreamFilter { public static void main(String[] args) { Stream<String> original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); Stream<String> result = original.filter(s ‐> s.startsWith("张")); } }
|
在这里通过Lambda表达式来指定了筛选的条件:必须姓张。
Stream流属于管道流,只能被使用一次,使用完便转到下一个流,上一个流就会关闭。
4.3 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:
1
| <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。
复习Function接口
此前我们已经学习过 java.util.stream.Function 函数式接口,其中唯一的抽象方法为
这可以将一种T类型转换成为R类型,而这种转换的动作,就称为“映射”。
基本使用
Stream流中的 map 方法基本使用的代码如:
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| import java.util.stream.Stream; public class Demo08StreamMap { public static void main(String[] args) { Stream<String> original = Stream.of("10", "12", "18"); Stream<Integer> result = original.map(str‐>Integer.parseInt(str)); } }
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这段代码中, map 方法的参数通过方法引用,将字符串类型转换成为了int类型(并自动装箱为 Integer 类对象)。
4.4 统计个数:count
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:
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
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| import java.util.stream.Stream; public class Demo09StreamCount { public static void main(String[] args) { Stream<String> original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); Stream<String> result = original.filter(s ‐> s.startsWith("张")); System.out.println(result.count()); } }
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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:
1
| Stream<T> limit(long maxSize);
|
参数是一个long型,如果集合当前长度大于参数则进行截取;否则不进行操作。基本使用:
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| import java.util.stream.Stream; public class Demo10StreamLimit { public static void main(String[] args) { Stream<String> original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); Stream<String> result = original.limit(2); System.out.println(result.count()); } }
|
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:
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
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| import java.util.stream.Stream; public class Demo11StreamSkip { public static void main(String[] args) { Stream<String> original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); Stream<String> result = original.skip(2); System.out.println(result.count()); } }
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4.5 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 :
1
| static <T> Stream<T> concat(Stream<? extends T> a, Stream<? extends T> b)
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备注:这是一个静态方法,与 java.lang.String 当中的 concat 方法是不同的
该方法的基本使用代码如:
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| import java.util.stream.Stream; public class Demo12StreamConcat { public static void main(String[] args) { Stream<String> streamA = Stream.of("张无忌"); Stream<String> streamB = Stream.of("张翠山"); Stream<String> result = Stream.concat(streamA, streamB); } }
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5 练习:集合元素处理(传统方式)
题目
现在有两个 ArrayList 集合存储队伍当中的多个成员姓名,要求使用传统的for循环(或增强for循环)依次进行以下若干操作步骤:
- 第一个队伍只要名字为3个字的成员姓名;存储到一个新集合中。
- 第一个队伍筛选之后只要前3个人;存储到一个新集合中。
- 第二个队伍只要姓张的成员姓名;存储到一个新集合中。
- 第二个队伍筛选之后不要前2个人;存储到一个新集合中。
- 将两个队伍合并为一个队伍;存储到一个新集合中。
- 根据姓名创建 Person 对象;存储到一个新集合中。
- 打印整个队伍的Person对象信息
两个队伍(集合)的代码如下:
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| import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class DemoArrayListNames { public static void main(String[] args) { ArrayList<String> one = new ArrayList<>(); one.add("迪丽热巴"); one.add("宋远桥"); one.add("苏星河"); one.add("石破天"); one.add("石中玉"); one.add("老子"); one.add("庄子"); one.add("洪七公"); ArrayList<String> two = new ArrayList<>(); two.add("古力娜扎"); two.add("张无忌"); two.add("赵丽颖"); two.add("张三丰"); two.add("尼古拉斯赵四"); two.add("张天爱"); two.add("张二狗"); } }
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而 Person 类的代码为:
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| public class Person { private String name; public Person() {} public Person(String name) { this.name = name; } @Override public String toString() { return "Person{name='" + name + "'}"; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } }
|
解答
既然使用传统的for循环写法,那么:
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| public class DemoArrayListNames { public static void main(String[] args) { List<String> one = new ArrayList<>(); List<String> two = new ArrayList<>(); List<String> oneA = new ArrayList<>(); for (String name : one) { if (name.length() == 3) { oneA.add(name); } } List<String> oneB = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < 3; i++) { oneB.add(oneA.get(i)); } List<String> twoA = new ArrayList<>(); for (String name : two) { if (name.startsWith("张")) { twoA.add(name); } } List<String> twoB = new ArrayList<>(); for (int i = 2; i < twoA.size(); i++) { twoB.add(twoA.get(i)); } List<String> totalNames = new ArrayList<>(); totalNames.addAll(oneB); totalNames.addAll(twoB); List<Person> totalPersonList = new ArrayList<>(); for (String name : totalNames) { totalPersonList.add(new Person(name)); } for (Person person : totalPersonList) { System.out.println(person); } } }
|
运行结果为:
1 2 3 4 5
| Person{name='宋远桥'} Person{name='苏星河'} Person{name='石破天'} Person{name='张天爱'} Person{name='张二狗'}
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6 练习:集合元素处理(Stream方式)
题目
将上一题当中的传统for循环写法更换为Stream流式处理方式。两个集合的初始内容不变, Person 类的定义也不变。
解答
等效的Stream流式处理代码为
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
| import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.stream.Stream; public class DemoStreamNames { public static void main(String[] args) { List<String> one = new ArrayList<>(); List<String> two = new ArrayList<>(); Stream<String> streamOne = one.stream().filter(s ‐> s.length() == 3).limit(3); Stream<String> streamTwo = two.stream().filter(s ‐> s.startsWith("张")).skip(2); Stream.concat(streamOne, streamTwo).map(Person::new).forEach(System.out::println); } }
|
运行效果完全一样:
1 2 3 4 5
| Person{name='宋远桥'} Person{name='苏星河'} Person{name='石破天'} Person{name='张天爱'} Person{name='张二狗'}
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