Java学习笔记(十一):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

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:

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);
        }
    }
}

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:

  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

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);
        }
    }
}

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. 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:

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);
    }
}

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:

  • 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。

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。

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();
    }
} 

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:

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();
    }
}

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:

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);
    }
}  

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。

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

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。

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));
    }
}

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:

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。

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:

boolean test(T t);

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

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:

<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

R apply(T t);

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:

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));
    }
}

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:

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

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()); // 2
    }
}

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);

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:

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()); // 2
    }
}

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

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()); // 1
    }
}

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 :

static <T> Stream<T> concat(Stream<? extends T> a, Stream<? extends T> b)  

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:

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);
    }
}

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:

  1. 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。
  2. 第一个队伍筛选之后只要前3个人;存储到一个新集合中。
  3. 第二个队伍只要姓张的成员姓名;存储到一个新集合中。
  4. 第二个队伍筛选之后不要前2个人;存储到一个新集合中。
  5. 将两个队伍合并为一个队伍;存储到一个新集合中。
  6. 根据姓名创建 Person 对象;存储到一个新集合中。
  7. 打印整个队伍的Person对象信息

两个队伍(集合)的代码如下:

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class DemoArrayListNames {
public static void main(String[] args) {
    //第一支队伍
    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");
    //第二支队伍
    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");
    // ....
    }
}

而 Person 类的代码为:

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:

public class DemoArrayListNames {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> one = new ArrayList<>();
        // ...
        List<String> two = new ArrayList<>();
        // ...
        // 第一个队伍只要名字为3个字的成员姓名;
        List<String> oneA = new ArrayList<>();
        for (String name : one) {
            if (name.length() == 3) {
            oneA.add(name);
            }
        } 
            // 第一个队伍筛选之后只要前3个人;
        List<String> oneB = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            oneB.add(oneA.get(i));
        }
         // 第二个队伍只要姓张的成员姓名;
        List<String> twoA = new ArrayList<>();
        for (String name : two) {
            if (name.startsWith("张")) {
            twoA.add(name);
            }
        } 
        // 第二个队伍筛选之后不要前2个人;
        List<String> twoB = new ArrayList<>();
        for (int i = 2; i < twoA.size(); i++) {
            twoB.add(twoA.get(i));
        } 
        // 将两个队伍合并为一个队伍;
        List<String> totalNames = new ArrayList<>();
        totalNames.addAll(oneB);
        totalNames.addAll(twoB);
        // 根据姓名创建Person对象;
        List<Person> totalPersonList = new ArrayList<>();
        for (String name : totalNames) {
            totalPersonList.add(new Person(name));
        }
        // 打印整个队伍的Person对象信息。
        for (Person person : totalPersonList) {
            System.out.println(person);
        }
    }
}

运行结果为:

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'}

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

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<>();
    // ...
    // 第一个队伍只要名字为3个字的成员姓名;
    // 第一个队伍筛选之后只要前3个人;
    Stream<String> streamOne = one.stream().filter(s ‐> s.length() == 3).limit(3);
    // 第二个队伍只要姓张的成员姓名;
    // 第二个队伍筛选之后不要前2个人;
    Stream<String> streamTwo = two.stream().filter(s ‐> s.startsWith("张")).skip(2);
    // 将两个队伍合并为一个队伍;
    // 根据姓名创建Person对象;
    // 打印整个队伍的Person对象信息。
    Stream.concat(streamOne, streamTwo).map(Person::new).forEach(System.out::println);
    //Stream.concat(streamOne,streamTwo).map(name->new Person(name)).forEach(p->System.out.println(p))
    }
}

运行效果完全一样:

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'}

本文作者:foochane
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