Java 8 新特性 之 Stream 流

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。

1.1 引言

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。

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？

Stream 的更优写法

借助 Java 8 的 Stream API，上面需求可以用更优雅的方式完成：

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。

1.2 流式思想概述

流式思想不同于传统 IO 流
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（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。

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（fluentstyle）。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。

1.3 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。

根据 Collection 获取流

首先， java.util.Collection 接口中加入了 default 方法 sream 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();
	}
}

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();
	}
}

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);
	}
}

备注： of 方法的参数其实是一个可变参数，所以支持数组。

1.4 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。

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。

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：

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));
	}
}

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。

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。

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。

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）。

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：

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
	}
}

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);
	}
}

1.5 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'}

1.6 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);
	}
}

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'}