Java 8 Stream API 引入和使用

Java 8 系列文章 持续更新中

引入流

流是什么

流是Java API的新成员
    
    
    
，它允许你以声明性的方式处理数据集合
    
    
    
。可以看成遍历数据集的高级迭代     


     


     


。流可以透明地并行处理     


     


     


，无需编写多线程代码 




 




 




 。我们先简单看一下使用流的好处

   

   

   
。下面两段代码都是用来返回年龄小于14岁的初中生的姓名 




 




 




 ，并按照年龄排序     

     

     

。

假如我们有下面Student实体类

@Data public class Student { private String name; private int age; private boolean member; private Grade grade; public Student() { } public Student(String name, int age, boolean member, Grade grade) { this.name = name; this.age = age; this.member = member; this.grade = grade; } public enum Grade{ JUNIOR_ONE,JUNIOR_TWO,JUNIOR_THREE } }

Java 8之前的实现方式：

List<Student> students = Arrays.asList( new Student("张初一", 13, false, Student.Grade.JUNIOR_ONE), new Student("李初二", 14, false, Student.Grade.JUNIOR_TWO), new Student("孙初三", 15, false, Student.Grade.JUNIOR_THREE), new Student("王初一", 12, false, Student.Grade.JUNIOR_ONE), new Student("钱初二", 14, false, Student.Grade.JUNIOR_TWO), new Student("周初三", 16, false, Student.Grade.JUNIOR_THREE)); List<Student> resultStudent = new ArrayList<>(); //垃圾变量

   

   

   
，一次性的中间变量 //foreach循环     

     

     

，根据条件筛选元素 for (Student student : students) { if (student.getAge() < 14) { resultStudent.add(student); } } //匿名类  




  




  




 ，给元素排序 Collections.sort(resultStudent, new Comparator<Student>() { @Override public int compare(Student o1, Student o2) { return Integer.compare(o1.getAge(), o2.getAge()); } }); List<String> resultName = new ArrayList<>(); //foreach循环


  


  


  
，获取元素属性 for (Student student : resultStudent) { resultName.add(student.getName()); }

Java 8流的实现方式：

List<String> resultName = students.stream() .filter(student -> student.getAge() < 14) //年龄筛选 .sorted(Comparator.comparing(Student::getAge)) //年龄排序 .map(Student::getName) //提取姓名 .collect(Collectors.toList());//将提取的姓名保存在List中

为了利用多核架构并行执行这段代码     
     
     
，只需要把stream()替换成parallelStream()即可  




  




  




 。

通过对比两段代码之后   




   




   




 ，Java8流的方式有几个显而易见的好处


  


  


  
。

代码是以声明性的方式写的：说明想要做什么（筛选小于14岁的学生）而不是去说明怎么去做（循环
    
    
    
、if） 将几个基础操作链接起来



 



 



 
，表达复杂的数据处理流水线（filter->sorted->map->collect）,同时保持代码清晰可读     
     
     
。

总结一下               ，Java 8的Stream API带来的好处：

声明性-更简洁    




    




    




 ，更易读 可复合-更灵活 可并行-性能更好

流简介

流到底是什么？简单定义：“从支持数据处理操作的源生成的元素序列
    
    
    
”















，下面剖析这个定义   




   




   




 。

元素序列：像集合一样               ，流也提供了一个接口     



     



     



 ，可以访问特定元素类型的一组有序值



 



 



 
。集合讲的是数据














，流讲的是计算               。 源：流使用一个提供数据的源
    
    
    
，如集合     


     


     


、数组或输入/输出资源    




    




    




 。 数据处理操作：流的数据处理功能之处类似于数据库的操作     


     


     


，以及函数式编程语言中的常用操作 




 




 




 ，如filter 




 




 




 、map

   

   

   
、reduce     

     

     

、find  




  




  




 、match


  


  


  
、sort等















。流的操作可以顺序执行

   

   

   
，也可以并行执行               。 流水线：很多流的操作会返回一个流     

     

     

，这样多个操作就可以链接起来  




  




  




 ，形成一个流水线     



     



     



 。可以看成数据库式查询














。 内部迭代：于迭代器显示迭代的不同


  


  


  
，流的迭代操作是在背后进行的
    
    
    
。

看一段代码     
     
     
，更好理解这些概念

List<String> resultName = students.stream() //从列表中获取流 .filter(student -> student.getAge() < 16) //操作流水线：筛选 .map(Student::getName) //操作流水线：提取姓名 .limit(2) //操作流水线：只取2个 .collect(Collectors.toList());//将结果保存在List中

在上面代码中   




   




   




 ，数据源是学生列表（students）



 



 



 
，用来给流提供一个元素序列               ，调用stream()获取一个流    




    




    




 ，接下来就是一系列数据处理操作：filter     
     
     
、map   




   




   




 、limit和collect     


     


     


。除collect之外















，所有这些操作都会返回一个流               ，组成了一条流水线 




 




 




 。最后collect操作开始处理流水线     



     



     



 ，并返回结果

   

   

   
。

流与集合

粗略的说














，流与集合之间的差异就在于什么时候进行计算     

     

     

。

集合是一个内存中的数据结构（可以添加或者删除）
    
    
    
，它包含数据结构中目前所有的值——集合中的每个元素都是预先处理好然后添加到集合中的  




  




  




 。 流则是在概念上固定的数据结构（不能添加或删除元素）     


     


     


，其元素是按需计算的


  


  


  
。

在哲学中 




 




 




 ，流被看作在时间中分布的一组值

   

   

   
，而集合则是空间（计算机内存）中分布的一组值     

     

     

，在一个时间点上全体存在     
     
     
。

只能遍历一次

和迭代器类似  




  




  




 ，流只能遍历一次   




   




   




 。遍历完成之后


  


  


  
，我们说这个流已经被消费掉了



 



 



 
。

例如下面的代码会抛出异常

Stream<Student> stream = students.stream(); stream.forEach(System.out::println); stream.forEach(System.out::println);

执行之后抛出如下异常：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalStateException: stream has already been operated upon or closed at java.util.stream.AbstractPipeline.sourceStageSpliterator(AbstractPipeline.java:279) at java.util.stream.ReferencePipeline$Head.forEach(ReferencePipeline.java:580) at com.example.demo.java8.stream.StreamTest.main(StreamTest.java:58)

所以要记得     
     
     
，流只能消费一次               。

外部迭代与内部迭代

我们使用iterator或者foreach遍历集合时的这种迭代方式被称为外部迭代   




   




   




 ，而Streams库使用内部迭代



 



 



 
，它帮你把迭代做了               ，还把得到的流值存在了某个地方    




    




    




 ，你只要给出一个函数说要干什么就可以了    




    




    




 。

下面的代码说明了这种区别















。

外部迭代 //使用增强for循环做外部迭代















，底层还是迭代器 List<String> resultName = new ArrayList<>(); for (Student student : students) { resultName.add(student.getName()); } //使用迭代器做外部迭代 Iterator<Student> iterator = students.iterator(); while (iterator.hasNext()){ Student student = iterator.next(); resultName.add(student.getName()); } 内部迭代 List<String> resultName = students.stream() .map(Student::getName) .collect(Collectors.toList());

流操作

java.util.stream中的Stream接口定义了许多操作               。可以分为两大类     



     



     



 。先看一下下面这个例子：

List<String> resultName = students.stream() //从列表中获取流 .filter(student -> student.getAge() < 16) //中间操作 .map(Student::getName) //中间操作 .limit(2) //中间操作 .collect(Collectors.toList());//将Stream转为List

可以看到两类操作：

filter



 



 



 
、map和limit链接的一条流水线 collect触发流水线执行并关闭它

流水线中流的操作称为中间操作               ，关闭流的操作称为终端操作 中间操作

诸如filter或sorted等中间操作会返回一个流     



     



     



 ，这让很多操作链接起来形成一个复合的流水线（查询）














。重要的是














，除非流水线上触发一个终端操作
    
    
    
，否则中间操作不会执行任何处理——它们很懒

（延迟计算/惰性求值）
    
    
    
。

因为中间操作一般都可以合并起来     


     


     


，在终端操作时一次性全部处理     


     


     


。

修改一下上面的代码 




 




 




 ，看一下发生了什么： List<String> resultName = students.stream() //从列表中获取流 .filter(student -> { System.out.println("filter："+student.getName()); return student.getAge() < 16; }) //中间操作 .map(student -> { System.out.println("map："+student.getName()); return student.getName(); }) //中间操作 .limit(3) //中间操作 .collect(Collectors.toList());//将Stream转为List

执行结果如下：

filter：张初一 map：张初一 filter：李初二 map：李初二 filter：孙初三 map：孙初三

可以发现

   

   

   
，利用流的延迟性质实现了几个好的优化 




 




 




 。limit操作实现了只选择前3个     

     

     

，filter和map操作是相互独立的操作  




  




  




 ，但他们合并到同一次遍历中

   

   

   
。

终端操作

终端操作会从流的流水线生成结果     

     

     

。其结果可以是任何不是流的值


  


  


  
，例如List               、Integer     
     
     
，亦或是void等  




  




  




 。

流的使用

流的使用一般包括三件事：

一个数据源（如集合）来执行一个查询 一个中间操作链   




   




   




 ，形成一条流水线 一个终端操作



 



 



 
，执行流水线               ，并生成结果

流的流水线背后的理念类似于构建器模式


  


  


  
。在构建器模式中有一个调用链来设置一套配置（对流来说这就是一个中间操作链）    




    




    




 ，接着时调用build方法（对流来说就是终端操作）     
     
     
。

使用流

Stream API支持许多操作















，这些操作能帮助我们快速完成复杂的数据查询               ，如筛选    




    




    




 、切片















、映射               、查找     



     



     



 、匹配和归约   




   




   




 。

筛选和切片

用谓词筛选     



     



     



 ，筛选出各不相同的元素














，忽略流中的头几个元素
    
    
    
，或将流截短至指定长度



 



 



 
。

用谓词筛选 filter

流支持filter方法     


     


     


，该方法接受一个谓词（一个返回boolean的函数）作为参数 




 




 




 ，并返回一个包括所有符合谓词的元素的流               。例如

   

   

   
，下面的代码就是筛选是团员的学生：

List<Student> memberList = students.stream() .filter(Student::isMember) //方法引用检查学生是否是团员 .collect(Collectors.toList

()); 去重元素 distinct

流支持distinct方法     

     

     

，该方法可以将列表中的元素去重（根据流所生成元素的hashCode和equals方法实现）的流    




    




    




 。例如下面的代码事筛选列表中的偶数  




  




  




 ，并去重：

List<Integer> numberList = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 2, 4, 6); numberList.stream() .filter(n -> n % 2 == 0) .distinct

() .forEach(System.out::println); 截短流 limit

流支持limit(n)方法


  


  


  
，该方法返回一个不超过给定长度的流















。如果是有序的流     
     
     
，则最多返回前n个元素               。例如   




   




   




 ，筛选出小于14岁的前三个学生：

List<Student> studentList = students.stream() .filter(student -> student.getAge() < 14) .limit(3) .collect

(Collectors.toList()); 跳过元素 skip

流支持skip(n)方法



 



 



 
，该方法返回一个跳过了前n个元素的流     



     



     



 。如果流中的元素不足n个               ，则返回一个空流














。例如    




    




    




 ，跳过年龄小于14岁的头三个学生















，返回剩下的
    
    
    
。

List<Student> studentList = students.stream() .filter(student -> student.getAge() < 14) .skip(3) .collect(Collectors.toList());

映射

有时候当我们在处理数据时               ，需要从一系列对象中提取某个属性值     



     



     



 ，比如从SQL表中选择一列     


     


     


。Stream API通过map和flatMap方法提供了类似的工具 




 




 




 。

对流中的每一个元素应用函数 map

流支持map方法














，该方法接受一个函数作为参数

   

   

   
。这个函数会被应用到每个元素上
    
    
    
，并将其映射成一个新的元素     

     

     

。例如     


     


     


，需要提取学生列表中的学生姓名：

List<String> studentList = students.stream() .map(Student::getName)//getName会返回String 




 




 




 ，此时map返回的就是Stream<String> .collect(Collectors.toList());

如果需要进一步操作

   

   

   
，例如获取姓名的长度     

     

     

，在链接上一个map即可：

List<Integer> studentList = students.stream() .map(Student::getName) .map(String::length) .collect(Collectors.toList

()); 流的扁平化 flatMap

先举个例子  




  




  




 ，我们需要从["hello", "world"]单词列表中提取每个字符并去重


  


  


  
，结果应该是["h", "e", "l", "o", "w", "r", "d"]  




  




  




 。

我们可能会写出下面这样的代码：

List<String> wordList = Arrays.asList("hello","word"); List<String[]> result = wordList.stream() .map(word -> word.split("")) .distinct() .collect(Collectors.toList());

但实际上map返回的是Stream<String[]>     
     
     
，或者我们又写出下面这样的代码：

List<String> wordList = Arrays.asList("hello","word"); List<Stream<String>> result = wordList.stream() .map(word -> word.split("")) .map(Arrays::stream) .distinct() .collect(Collectors.toList());

但实际上map返回的是Stream<Stream<String>>   




   




   




 ，而我们真想想要的是Stream<String> 


  


  


  
。

这时候flatMap就派上用场了：

List<String> wordList = Arrays.asList("hello","word"); List<String> result = wordList.stream() .map(w -> w.split("")) .flatMap(Arrays::stream) .distinct() .collect(Collectors.toList()); System.out.println(result);

map(Arrays::stream)是将每个元素都映射成一个流



 



 



 
，而flatMap方法效果将映射的流合并起来               ，即扁平化一个流     
     
     
。意思就是将流中的每个值都转换成一个流    




    




    




 ，然后把所有的流连接起来成为一个流

查找和匹配

还有在处理数据时















，我们会判断一个集合中的某些元素是否符合给定的条件   




   




   




 。Stream API通过allMatch














、anyMatch
    
    
    
、noneMatch     


     


     


、findFirst和findAny方法提供了这样的工具



 



 



 
。

检查谓词是否至少匹配一个元素 anyMatch

anyMatch方法可以用来判断“流中是否有一个元素能匹配给定的谓词     


     


     


”               。

if(students.stream().anyMatch(Student::isMember)) { System.out.println("学生列表中至少有一个是团员！"); }

anyMatch方法返回一个boolean               ，是一个终端操作    




    




    




 。

检查谓词是否匹配所有元素 allMatch noneMatch

allMatch方法可以用来判断“流中是否所有的元素都能匹配给定的谓词 




 




 




 ”

if (students.stream().allMatch(student -> student.getAge() < 18)) { System.out.println("学生列表中所有学生的年龄都小于18岁！"); }

noneMatch和allMatch是相对的     



     



     



 ，用来判断“流中的所有元素都不能匹配给定的谓词

   

   

   
”

if (students.stream().noneMatch(student -> student.getAge() >= 18)) { System.out.println("学生列表中没有学生的年龄大于等于18岁！"); }

anyMatch 




 




 




 、allMatch和noneMatch这三个操作都用到了我们所谓的短路














，这就是我们熟悉的Java中的&&和||运算符短路在流中的版本















。

查找元素 findAny

findAny方法返回当前流中的任意元素               。可与其他流操作相结合使用     



     



     



 。例如
    
    
    
，我们需要找到一个学生列表中的团员：

Optional<Student> studentOptional = students.stream() .filter(Student::isMember) .findAny();

不过这个Optional是什么？

Optional简介 Optional<T>类(java.util.Optional)是一个容器类     


     


     


，代表一个值存在或不存在














。上面代码中有可能什么元素都没有找到
    
    
    
。Java 8引入Optional<T>用来避免null带来的异常     


     


     


。

先简单了解下它的几个方法：

isPresent()：若Optional包含值则返回true 




 




 




 ，否则返回false 




 




 




 。 ifPresent(Consumer<? super T> consumer)：若Optional包含值时执行给定的代码

   

   

   
。参数是Consumer

   

   

   
，一个函数式接口     

     

     

。 T get()：若Optional包含值时返回该值     

     

     

，否则抛出NoSuchElementException异常  




  




  




 。 T orElse(T other)：若Optional包含值时返回该值  




  




  




 ，否则返回指定默认值


  


  


  
。

例如


  


  


  
，前面的studentOptional若包含一个学生     
     
     
，我们就打印该学生的姓名   




   




   




 ，否则就什么也不做     
     
     
。

studentOptional.ifPresent(student -> System.out.println(student.getName

())); 查找第一个元素 findFirst

findFirst方法返回当前流中的第一个元素   




   




   




 。在某些顺序流中



 



 



 
，我们要找到第一个元素               ，这时可以使用findFirst    




    




    




 ，例如















，给定一个数字列表               ，找到其中第一个平方根能被2整除的数：

List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6); Optional<Integer> first = numbers.stream() .map(n -> n * n) .filter(n -> n % 2 == 0) .findFirst(); first.ifPresent(n -> System.out.println(n));// 4

我们会发现findAny和findFirst的工作方式是类似的     



     



     



 ，那我们什么时候使用findFirst和findAny呢？

findFirst在并行上限制很多














，所以如果不关心返回元素是哪一个（不关心顺序）
    
    
    
，请使用findAny     


     


     


，因为在并行时限制较少



 



 



 
。

归约 reduce

reduce操作可以将一个流中的元素组合起来 




 




 




 ，得到一个值               。

元素求和

使用foreach循环求和：

List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6); int sum = 0; for (Integer number : numbers) { sum += number; }

这里通过反复加法

   

   

   
，把一个列表归约成一个数字    




    




    




 。如果是计算相乘的结果     

     

     

，是不是还要复制粘贴这段代码？大可不必  




  




  




 ，reduce操作将这种模式做了抽象















。用reduce求和：

Integer sum = numbers.stream().reduce(0, (a, b) -> a + b);

这里reduce()接受两个参数:

初始值


  


  


  
，这里是0 BinaryOperator组合两个元素产生新值     
     
     
，这里是Lambda(a, b) -> a + b

如果是相乘   




   




   




 ，则只需传递Lambda(a, b) -> a * b即可： Integer result = numbers.stream().reduce(0, (a, b) -> a * b);

Java 8中



 



 



 
，Integer类有了static int sum(int a, int b)方法来求两个数的和               ，这刚好是BinaryOperator类型的值    




    




    




 ，所以代码可以更精简















，更易读：

Integer sum = numbers.stream().reduce(0, Integer::sum);

reduce还有一个重载版本               ，不接受初始值     



     



     



 ，返回一个Optional<T>对象














，考虑流中没有任何元素
    
    
    
，也没有初始值     


     


     


，所以reduce无法返回结果 




 




 




 ，此时Optional中的值就不存在               。

最大值和最小值

类比求和的操作

   

   

   
，我们传递Lambda(a, b) -> a > b ? a : b即可：

numbers.stream().reduce((a, b) -> a > b ? a : b);

相同的Java 8中的Integer也新增了max和min来求两个数中的最大和最小值     

     

     

，则可以写成：

Optional<Integer> max = numbers.stream().reduce(Integer::max); Optional<Integer> min = numbers.stream().reduce(Integer::min);

数值流

前面用reduce计算流中元素的中和  




  




  




 ，现在我想计算学生列表中学生的年龄总和


  


  


  
，就可以这么写：

students.stream().map(Student::getAge) .reduce(0, Integer::sum);

但是这里暗含了装箱成本     



     



     



 。Integer需要被拆箱成原始类型     
     
     
，在进行求和














。所以Stream API提供了原始类型流特化   




   




   




 ，专门支持处理数流的方法
    
    
    
。

原始类型流

Java 8中引入了三个原始类型流：IntStream

   

   

   
、DoubleStream和LongStream



 



 



 
，分别将流中的元素转化为int     

     

     

、long和double               ，从而避免暗含装箱成本     


     


     


。每个接口都带来了进行常用数值归约的新方法    




    




    




 ，如对数值流求和的sum















，找到最大元素的max               ，还可以把它们再转回对象流 




 




 




 。

映射到数值流 mapToInt mapToDouble mapToLong

students.stream() .mapToInt(Student::getAge) .sum();

转回对象流 .boxed()

Stream<Integer> stream = students.stream() .mapToInt(Student::getAge) .boxed();

默认值 OptionalInt OptionalDouble OptionalLong

OptionalInt optionalInt =

students.stream() .mapToInt(Student::getAge) .max(); 数值范围 range rangeClosed

Java 8引入了两个可以用于IntStream和LongStream的静态方法     



     



     



 ，帮助我们生成一个数值范围

   

   

   
。range和rangeClosed














，两个方法接收两个参数第一个是起始值
    
    
    
，第二个是结束值     

     

     

。前者不包含结束值     


     


     


，后者包含结束值  




  




  




 。

IntStream range = IntStream.range(1, 100); System.out.println(range.count());//99 IntStream intStream = IntStream.rangeClosed(1, 100); System.out.println(intStream.count());//100 数值流例子

100以内的勾股数：a*a + b*b = c*c 




 




 




 ，a  




  




  




 、b


  


  


  
、c都是整数


  


  


  
。

IntStream.rangeClosed(1, 100) .boxed() .flatMap(a -> IntStream.rangeClosed(a, 100) .mapToObj(b -> new double[]{a, b, Math.sqrt(a * a + b * b)}) .filter(ints -> ints[2] % 1 == 0)) .forEach(t -> System.out.println((int) t[0] + "--" + (int) t[1] + "--" + (int) t[2]));

构建流

前面我们已经了解了很多流的的操作

   

   

   
，并且知道通过stream方法从集合生成流以及根据数值范围创建数值流     
     
     
。下面我们我们介绍如何从序列     
     
     
、数组   




   




   




 、文件和生成函数来创建流   




   




   




 。

由序列创建流 Stream.of

使用静态方法Stream.of显示的创建一个流     

     

     

，该方法接受任意数量的参数



 



 



 
。

//创建一个字符串流 Stream<String> stringStream = Stream.of("A", "B", "C", "D", "E"); //创建一个空流 Stream.empty

(); 由数组创建流 Arrays.stream

使用静态方法Arrays.stream从数组创建一个流  




  




  




 ，该方法接受一个数组参数               。

int[] num = {1,2,3,4,5}; IntStream stream = Arrays.stream(num); System.out.println(stream.sum());//15 由文件生成流

Java 8更新了NIO API（非阻塞 I/O）


  


  


  
，其中java.nio.file.Files中新增了许多静态方法可以返回一个流     
     
     
，如Files.lines()该方法接受一个文件路径对象（Path对象）   




   




   




 ，返回由指定文件中每一行组成的字符串流    




    




    




 。下面的代码用来计算这个文件中有多少个不同的字符：

try (Stream<String> lines = Files.lines(Paths.get("C:\\Users\\symon\\Desktop\\test.txt"), Charset.defaultCharset())) { long count = lines .flatMap(line -> { System.out.println(line); return Arrays.stream(line.split("")); }) .distinct() .count(); System.out.println(count); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } 由函数生成流



 



 



 
，创建无限流

Stream API提供了两个静态方法来生成流：Stream.iterate()和Stream.generate()















。这两个操作可以创建所谓的无限流：没有固定大小的流               。一般来说               ，会使用limit(n)来进行限制    




    




    




 ，避免无尽地计算下去     



     



     



 。

迭代 Stream.iterate

Stream.iterate(0, n -> n + 2) .limit(20) .forEach(System.out::println);

iterate方法接受一个初始值（这里是0）















，还有一个依次应用在每个产生的新值上的Lambda（UnaryOperator<T>类型）














。这里是n -> n + 2               ，返回前一个元素加2
    
    
    
。所以上面代码生成了一个正偶数流     


     


     


。如果不加limit限制     



     



     



 ，则会永远计算下去 




 




 




 。

生成 Stream.generate

Stream.generate(Math::random) .limit(10) .forEach(System.out::println);

generate方法接受一个Supplier<T>类型的Lambda作为参数














，不会像iterate一样对每个新生成的值应用函数

   

   

   
。上面代码是取10个0~1之间的随机数     

     

     

。同样
    
    
    
，如果不加limit限制     


     


     


，该流也会无限长  




  




  




 。