詳解Stream流思想，別到面試時着急！

時間 2020-12-22

標籤 java 面試算法數組數據結構 app ide 函數性能優化欄目 Apache 简体版

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1、引言

傳統集合的多步遍歷代碼

幾乎全部的集合（如 Collection 接口或 Map 接口等）都支持直接或間接的遍歷操做。而當咱們須要對集合中的元素進行操做的時候，除了必需的添加、刪除、獲取外，典型的就是集合遍歷。java

循環遍歷的弊端

Java 8的Lambda讓咱們能夠更加專一於作什麼（What），而不是怎麼作（How），這點此前已經結合內部類進行了對比說明。如今，咱們仔細體會一下上例代碼，能夠發現：面試

for循環的語法就是「怎麼作」
for循環的循環體纔是「作什麼」

爲何使用循環？由於要進行遍歷。但循環是遍歷的惟一方式嗎？遍歷是指每個元素逐一進行處理，而並非從第一個到最後一個順次處理的循環。前者是目的，後者是方式。算法

試想一下，若是但願對集合中的元素進行篩選過濾：數組

將集合A根據條件一過濾爲子集B；
而後再根據條件二過濾爲子集C。

那怎麼辦？在Java 8以前的作法可能爲：數據結構

public class Demo01List {
    public static void main(String[] args) {

        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("張無忌");
        list.add("周芷若");
        list.add("趙敏");
        list.add("張強");
        list.add("張三丰");

        //對list集合中的元素進行過濾,只要以張開頭的元素,存儲到一個新的集合中
        List<String> listA = new ArrayList<>();
        for (String s : list) {
            if (s.startsWith("張")) {
                listA.add(s);
            }
        }

        //對listA集合進行過濾,只要姓名長度爲3的人,存儲到一個新集合中
        List<String> listB = new ArrayList<>();
        for (String s : listA) {
            if (s.length() == 3) {
                listB.add(s);
            }
        }

        //遍歷listB集合
        for (String s : listB) {
            System.out.println(s);
        }
    }
}

這段代碼中含有三個循環，每個做用不一樣：app

首先篩選全部姓張的人；
而後篩選名字有三個字的人；
後進行對結果進行打印輸出。

每當咱們須要對集合中的元素進行操做的時候，老是須要進行循環、循環、再循環。這是理所固然的麼？不是。循環是作事情的方式，而不是目的。另外一方面，使用線性循環就意味着只能遍歷一次。若是但願再次遍歷，只能再使用另外一個循環從頭開始。ide

那Lambda的衍生物Stream能給咱們帶來怎樣更加優雅的寫法呢？

下面來看一下藉助Java8的Stream API,什麼才叫優雅：函數

public class Demo02Stream {
    public static void main(String[] args) {
        //建立一個List集合,存儲姓名
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("張無忌");
        list.add("周芷若");
        list.add("趙敏");
        list.add("張強");
        list.add("張三丰");

        //對list集合中的元素進行過濾,只要以張開頭的元素,存儲到一個新的集合中
        //對listA集合進行過濾,只要姓名長度爲3的人,存儲到一個新集合中
        //遍歷listB集合
        list.stream()
                .filter(name -> name.startsWith("張"))
                .filter(name -> name.length() == 3)
                .forEach(name -> System.out.println(name));
    }
}

直接閱讀代碼的字面意思便可完美展現無關邏輯方式的語義：獲取流、過濾姓張、過濾長度爲三、逐一打印。代碼中並無體現使用線性循環或是其餘任何算法進行遍歷，咱們真正要作的事情內容被更好地體如今代碼中。性能

2、流式思想概述

注意：請暫時忘記對傳統IO流的固有印象！
總體來看，流式思想相似於工廠車間的「生產流水線」。

當須要對多個元素進行操做（特別是多步操做）的時候，考慮到性能及便利性，咱們應該首先拼好一個「模型」步驟方案，而後再按照方案去執行它。

這張圖中展現了過濾、映射、跳過、計數等多步操做，這是一種集合元素的處理方案，而方案就是一種「函數模型」。圖中的每個方框都是一個「流」，調用指定的方法，能夠從一個流模型轉換爲另外一個流模型。而右側的數字 3是終結果。優化

這裏的 filter 、 map 、 skip 都是在對函數模型進行操做，集合元素並無真正被處理。只有當終結方法 count 執行的時候，整個模型纔會按照指定策略執行操做。而這得益於Lambda的延遲執行特性。

備註：「Stream流」實際上是一個集合元素的函數模型，它並非集合，也不是數據結構，其自己並不存儲任何元素（或其地址值）。

Stream（流）是一個來自數據源的元素隊列

元素是特定類型的對象，造成一個隊列。 Java中的Stream並不會存儲元素，而是按需計算。
數據源流的來源。能夠是集合，數組等。

和之前的Collection操做不一樣， Stream操做還有兩個基礎的特徵：

Pipelining: 中間操做都會返回流對象自己。這樣多個操做能夠串聯成一個管道，如同流式風格（ﬂuent style）。這樣作能夠對操做進行優化，好比延遲執行(laziness)和短路( short-circuiting)。
內部迭代：之前對集合遍歷都是經過Iterator或者加強for的方式, 顯式的在集合外部進行迭代，這叫作外部迭代。 Stream提供了內部迭代的方式，流能夠直接調用遍歷方法。

當使用一個流的時候，一般包括三個基本步驟：獲取一個數據源（source）→ 數據轉換→執行操做獲取想要的結果，每次轉換原有 Stream 對象不改變，返回一個新的 Stream 對象（能夠有屢次轉換），這就容許對其操做能夠像鏈條同樣排列，變成一個管道。

3、獲取流

java.util.stream.Stream<T> 是Java 8新加入的經常使用的流接口。（這並非一個函數式接口。）
獲取一個流很是簡單，有如下幾種經常使用的方式：

全部的 Collection 集合均可以經過 stream 默認方法獲取流；
Stream 接口的靜態方法 of 能夠獲取數組對應的流。

根據Collection&Map&Array獲取流

首先， java.util.Collection 接口中加入了default方法 stream 用來獲取流，因此其全部實現類都可獲取流。

java.util.Map 接口不是 Collection 的子接口，且其K-V數據結構不符合流元素的單一特徵，因此獲取對應的流須要分key、value或entry等狀況：

若是使用的不是集合或映射而是數組，因爲數組對象不可能添加默認方法，因此 Stream 接口中提供了靜態方法 of ，使用很簡單：

備註： of 方法的參數實際上是一個可變參數，因此支持數組。

/*
    java.util.stream.Stream<T>是Java 8新加入的最經常使用的流接口。（這並非一個函數式接口。）
    獲取一個流很是簡單，有如下幾種經常使用的方式：
        - 全部的Collection集合均可以經過stream默認方法獲取流；
            default Stream<E> stream()
        - Stream接口的靜態方法of能夠獲取數組對應的流。
            static <T> Stream<T> of(T... values)
            參數是一個可變參數,那麼咱們就能夠傳遞一個數組
 */
public class Demo01GetStream {
    public static void main(String[] args) {
        //把集合轉換爲Stream流
        List<String> list = new ArrayList<>();
        Stream<String> stream1 = list.stream();

        Set<String> set = new HashSet<>();
        Stream<String> stream2 = set.stream();

        Map<String,String> map = new HashMap<>();
        //獲取鍵,存儲到一個Set集合中
        Set<String> keySet = map.keySet();
        Stream<String> stream3 = keySet.stream();

        //獲取值,存儲到一個Collection集合中
        Collection<String> values = map.values();
        Stream<String> stream4 = values.stream();

        //獲取鍵值對(鍵與值的映射關係 entrySet)
        Set<Map.Entry<String, String>> entries = map.entrySet();
        Stream<Map.Entry<String, String>> stream5 = entries.stream();

        //把數組轉換爲Stream流
        Stream<Integer> stream6 = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5);
        //可變參數能夠傳遞數組
        Integer[] arr = {1,2,3,4,5};
        Stream<Integer> stream7 = Stream.of(arr);
        String[] arr2 = {"a","bb","ccc"};
        Stream<String> stream8 = Stream.of(arr2);
    }
}

4、經常使用方法

流模型的操做很豐富，這裏介紹一些經常使用的API。這些方法能夠被分紅兩種：

延遲方法：返回值類型仍然是 Stream 接口自身類型的方法，所以支持鏈式調用。（除了終結方法外，其他方法均爲延遲方法。）
終結方法：返回值類型再也不是 Stream 接口自身類型的方法，所以再也不支持相似 StringBuilder 那樣的鏈式調用。本小節中，終結方法包括 count 和 forEach 方法。

備註：本小節以外的更多方法，請自行參考API文檔。

逐一處理forEach

雖然方法名字叫 forEach ，可是與for循環中的「for-each」暱稱不一樣。

void forEach(Consumer<? super T> action);

該方法接收一個 Consumer 接口函數，會將每個流元素交給該函數進行處理。

基本使用:

public class Demo02Stream_forEach {
    public static void main(String[] args) {
        //獲取一個Stream流
        Stream<String> stream = Stream.of("張三", "李四", "王五", "趙六", "田七");
        stream.forEach(name->System.out.println(name));
    }
}

過濾filter

能夠經過 filter 方法將一個流轉換成另外一個子集流。方法簽名：

Stream&lt;T&gt; filter(Predicate&lt;? super T&gt; predicate);

該接口接收一個 Predicate 函數式接口參數（能夠是一個Lambda或方法引用）做爲篩選條件

基本使用：

/*
    Stream流中的經常使用方法_filter:用於對Stream流中的數據進行過濾
    Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate);
    filter方法的參數Predicate是一個函數式接口,因此能夠傳遞Lambda表達式,對數據進行過濾
    Predicate中的抽象方法:
        boolean test(T t);
 */
public class Demo03Stream_filter {
    public static void main(String[] args) {
        //建立一個Stream流
        Stream<String> stream = Stream.of("張三丰", "張翠山", "趙敏", "周芷若", "張無忌");
        //對Stream流中的元素進行過濾,只要姓張的人
        Stream<String> stream2 = stream.filter((String name)->{return name.startsWith("張");});
        //遍歷stream2流
        stream2.forEach(name-> System.out.println(name));

        /*
            Stream流屬於管道流,只能被消費(使用)一次
            第一個Stream流調用完畢方法,數據就會流轉到下一個Stream上
            而這時第一個Stream流已經使用完畢,就會關閉了
            因此第一個Stream流就不能再調用方法了
            IllegalStateException: stream has already been operated upon or closed
         */
        //遍歷stream流
        stream.forEach(name-> System.out.println(name));
    }
}

映射Map

若是須要將流中的元素映射到另外一個流中，可使用 map 方法。方法簽名：

<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);

該接口須要一個 Function 函數式接口參數，能夠將當前流中的T類型數據轉換爲另外一種R類型的流，稱爲映射。

基本使用

public class Demo04Stream_map {
    public static void main(String[] args) {
        //獲取一個String類型的Stream流
        Stream<String> stream = Stream.of("1", "2", "3", "4");
        //使用map方法,把字符串類型的整數,轉換(映射)爲Integer類型的整數
        Stream<Integer> stream2 = stream.map((String s)->{
            return Integer.parseInt(s);
        });
        //遍歷Stream2流
        stream2.forEach(i-> System.out.println(i));
    }
}

統計個數count

正如舊集合 Collection 當中的 size 方法同樣，流提供 count 方法來數一數其中的元素個數：

long count();
該方法返回一個long值表明元素個數（再也不像舊集合那樣是int值）。

基本使用

public class Demo05Stream_count {
    public static void main(String[] args) {
        //獲取一個Stream流
        ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
        list.add(1);
        list.add(2);
        list.add(3);
        list.add(4);
        list.add(5);
        list.add(6);
        list.add(7);
        Stream<Integer> stream = list.stream();
        long count = stream.count();
        System.out.println(count);//輸出7
    }
}

取用前面幾個limit

limit方法能夠對流進行截取，只取用前n個，方法簽名：

Stream<T> limit(long maxSize);

基本使用

public class Demo06Stream_limit {
    public static void main(String[] args) {
        //獲取一個Stream流
        String[] arr = {"美羊羊","喜洋洋","懶洋洋","灰太狼","紅太狼"};
        Stream<String> stream = Stream.of(arr);
        //使用limit對Stream流中的元素進行截取,只要前3個元素
        Stream<String> stream2 = stream.limit(3);
        //遍歷stream2流
        stream2.forEach(name-> System.out.println(name));
    }
}

跳過前面幾個skip

若是但願跳過前幾個元素，可使用 skip 方法獲取一個截取以後的新流：

Stream<T> skip(long n);

若是流的當前長度大於n，則跳過前n個；不然將會獲得一個長度爲0的空流。

基本使用

public class Demo07Stream_skip {
    public static void main(String[] args) {
        //獲取一個Stream流
        String[] arr = {"美羊羊","喜洋洋","懶洋洋","灰太狼","紅太狼"};
        Stream<String> stream = Stream.of(arr);
        //使用skip方法跳過前3個元素
        Stream<String> stream2 = stream.skip(3);
        //遍歷stream2流
        stream2.forEach(name-> System.out.println(name));
    }
}
// 灰太狼
// 紅太狼

組合concat

若是有兩個流，但願合併成爲一個流，那麼可使用 Stream 接口的靜態方法 concat ：

public static <T> Stream<T> concat(Stream<? extends T> a, Stream<? extends T> b) {
        Objects.requireNonNull(a);
        Objects.requireNonNull(b);

        @SuppressWarnings("unchecked")
        Spliterator<T> split = new Streams.ConcatSpliterator.OfRef<>(
                (Spliterator<T>) a.spliterator(), (Spliterator<T>) b.spliterator());
        Stream<T> stream = StreamSupport.stream(split, a.isParallel() || b.isParallel());
        return stream.onClose(Streams.composedClose(a, b));
    }

基本使用

public class Demo08Stream_concat {
    public static void main(String[] args) {
        //建立一個Stream流
        Stream<String> stream1 = Stream.of("張三丰", "張翠山", "趙敏", "周芷若", "張無忌");
        //獲取一個Stream流
        String[] arr = {"美羊羊","喜洋洋","懶洋洋","灰太狼","紅太狼"};
        Stream<String> stream2 = Stream.of(arr);
        //把以上兩個流組合爲一個流
        Stream<String> concat = Stream.concat(stream1, stream2);
        //遍歷concat流
        concat.forEach(name-> System.out.println(name));
    }
}