Java基础 第五节 第七课

Stream 流

概述

传统集合的多步遍历代码

循环遍历的弊端

Stream 的更优写法

流式思想概述

步骤方案

元素队列

获取流

根据 Collection 获取流

根据 Map 获取流

根据数组获取流

常用方法

逐一处理: forEach

复习 Consumer 接口

过滤: filter

复习 Predicate 接口

映射: map

复习 Function 接口

统计个数: count

取用前几个: limit

跳过前几个: skip

组合: concat

概述

说到 Stream 便容易想到 I/O 流, 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.

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变量操作. 而当我们需要对集合中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 Test { public static void main(String[] args) { List 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"); // 遍历 for (String name : list) { System.out.println(name); } } } 输出结果: 张无忌 周芷若 赵敏 张强 张三丰

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这是一段非常简单的变量操作: 对集合中每一个字符串都进行打印输出操作.

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”

为什么要使用循环? 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 Java8 之前的做法可能为:

import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class Test113 { public static void main(String[] args) { List 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"); // 第一次过滤 List filtered1 = new ArrayList<>(); for (String name : list) { if (name.startsWith("张")) { filtered1.add(name); } } // 第二次过滤 List filtered2 = new ArrayList<>(); for (String name : filtered1) { if (name.length() == 3) { filtered2.add(name); } } // 遍历 for (String name : filtered2) { System.out.println(name); } } } 输出结果: 张无忌 张三丰

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这段代码中有三个循环, 每一个作用不同:

首先筛选所有姓张的人

然后筛选名字长度为三的人

最后对结果进行打印输出

每当我们需要对结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. 如果希望再次变量, 只能在使用另一循环从头开始.

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. 代码如下:

import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class Test { public static void main(String[] args) { List 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者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.

流式思想概述

我们先暂时忘记对传统 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”.

步骤方案

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.

而方案就是一种 “函数模型”, 包括过滤, 映射, 跳过, 计数等多个步骤. 每一个步骤都是一个 “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, 并得到最终结果.

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.

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

元素队列

Stream (流) 是一个来自数据的元素队列.

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, 比如延时 (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, 显示的在结合外部进行迭代, 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), 这就允许其操作可以像链条一样排序, 变成一个管道.

获取流

java.util.stream.Stream是 Java8 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

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.ArrayList; import java.util.HashSet; import java.util.List; import java.util.Set; import java.util.stream.Stream; public class Test { public static void main(String[] args) { List list = new ArrayList<>(); Stream stream1 = list.stream(); Set set = new HashSet<>(); // ... Stream stream2 = set.stream(); } }

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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 Test { public static void main(String[] args) { Map map = new HashMap<>(); // ... Stream keyStream = map.keySet().stream(); Stream valueStream = map.values().stream(); Stream> entryStream = map.entrySet().stream(); } }

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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 Test1 { public static void main(String[] args) { String[] array = {"张无忌", "张翠山", "张三丰", "张一元"}; Stream stream = Stream.of(array) } }

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注: of 方法的参数其实是一个可变参数, 所以支持数组.

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, 本课中, 终结方法包括 count 和 forEach 方法

注: 本课之外的更多方法, 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 action);

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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 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

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基本使用:

import java.util.stream.Stream; public class Test { public static void main(String[] args) { Stream stream = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); stream.forEach(name -> System.out.println(name)); } }

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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 filter(Predicate predicate);

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该接口接收一个 Predicate 函数接口参数 (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了javautil.stream.Predicate函数接口, 其中唯一的抽象方法为:

boolean test(T t);

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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.

Stream 流中的 filter 方法基本使用. 代码如下:

import java.util.stream.Stream; public class Test { public static void main(String[] args) { Stream stream = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); Stream result = stream.filter(s -> s.startsWith("张")); } }

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在这里通过 Lambda 表达式来指定了筛选条件: 必须姓张.

映射: map

如果需要将流中的元素映射到另一流中, 可以使用 map 方法. 方法签名:

Stream map(Function mapper);

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该接口需要一个 Function 函数接口参数, 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);

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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”.

Stream 流中的 map 方法基本使用的代码如:

import java.util.stream.Stream; public class Test { public static void main(String[] args) { Stream original = Stream.of("10", "12", "18"); Stream result = original.map(str -> Integer.parseInt(str)); result.forEach(num -> System.out.println(num)); } } 输出结果: 10 12 18

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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 Integar 类对象)

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:

import java.util.stream.Stream; public class Test { public static void main(String[] args) { Stream original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); Stream result = original.filter(s -> s.startsWith("张")); System.out.println(result.count()); // 输出结果: 2 } }

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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:

Stream limit(long maxSize);

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参数是一个 long 型, 如果集合当前长度大于参数进行截取, 否则不进行操作. 基本使用:

import java.util.stream.Stream; public class Test { public static void main(String[] args) { Stream original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); Stream result = original.limit(2); System.out.println(result.count()); // 输出结果: 2 } }

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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 skip(long n);

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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 Test { public static void main(String[] args) { Stream original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若"); Stream result = original.skip(2); System.out.println(result.count()); // 输出结果: 1 } }

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组合: concat

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

static Stream concat(Stream a, Stream b)

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注: 这是一个静态方法, 与java.lang.String当中的 conat 方法是不同的.

该方法的基本使用代码如:

import java.util.stream.Stream; public class Test { public static void main(String[] args) { Stream streamA = Stream.of("张无忌"); Stream streamB = Stream.of("张翠山"); Stream result = Stream.concat(streamA, streamB); } }

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Java 数据结构

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