當涉及 JAVA 編程時,Java Stream 是一個功能強大且高效的工具,用于處理集合數據。它提供了一種聲明式的方式來操作數據,可以顯著簡化代碼并提高可讀性。在本文中,我們將深入探討 Java Stream,介紹其基本概念、常用操作和用例。
什么是 Java Stream
Java Stream 是 Java 8 引入的一種新的抽象層,用于處理集合數據(如列表、數組等)。它允許你以一種更簡潔、更聲明式的方式對數據進行操作,而無需編寫冗長的循環和條件語句。
其核心類庫主要改進了對集合類的 API 和新增 Stream 操作。Stream類中每一個方法都對應集合上的一種操作。將真正的函數式編程引入到Java中,能讓代碼更加簡潔,極大地簡化了集合的處理操作,提高了開發的效率和生產力。
同時 Stream 不是一種數據結構,它只是某種數據源的一個視圖,數據源可以是一個數組,Java容器或I/O channel 等。在 Stream 中的操作每一次都會產生新的流,內部不會像普通集合操作一樣立刻獲取值,而是惰性取值,只有等到用戶真正需要結果的時候才會執行。
通過使用 Stream,你可以對數據執行各種操作,如篩選、映射、排序、聚合等。
集合操作與 Stream 操作對比
集合操作
處理方式
集合操作是通過迭代和循環來處理集合中的元素。你需要編寫顯式的循環代碼,手動訪問和操作每個元素。
適用場景
集合操作適用于簡單的數據處理需求,或者在需要直接操作集合內部的情況下。它在處理小型數據集時可能較為方便。
優點
- 直觀:集合操作可以更直觀地展示數據的處理過程。
- 熟悉:如果你對循環和迭代操作非常熟悉,可能更容易上手。
缺點
- 冗余:集合操作通常需要編寫較多的循環和條件語句,導致代碼冗余。
- 低效:在大數據集上,集合操作可能會導致性能問題,因為它需要顯式迭代每個元素。
Stream 操作
處理方式
Stream 操作使用聲明式的方式來操作集合數據。你可以鏈式調用多個操作,以流水線的方式對數據進行處理。
適用場景
Stream 操作適用于需要對數據進行篩選、轉換、排序、聚合等復雜操作的情況。它在處理大型數據集和需要并行處理的情況下更為有效。
優點
- 簡潔:Stream 操作可以以更簡潔的方式表達數據處理邏輯,減少了循環和條件的使用。
- 高效:Stream 操作可以在內部進行優化,如并行處理,從而在大數據集上提供更高的性能。
缺點
- 學習曲線:如果你對 Stream 操作不熟悉,可能需要一些時間來學習其概念和語法。
- 不適合直接操作集合:Stream 操作通常不直接修改原始集合,而是生成新的 Stream 或最終結果。
案例
本示例以操作訂單金額集合為例,查詢金額小于 100 的訂單,并且根據創建時間進行排序,得到訂單標題,生成新集合
java復制代碼public class List {
public static void mAIn(String[] args) {
java.util.List<Order> orders = new ArrayList<>();
orders.add( new Order(1, "水果", 18, "2023-08-13"));
orders.add( new Order(2, "衣服", 59, "2023-08-12"));
orders.add( new Order(3, "日用品", 28, "2023-08-11"));
orders.add( new Order(4, "電子產品", 8999, "2023-08-10"));
orders.add( new Order(5, "圖書", 128, "2023-08-09"));
java.util.List<Order> result = new ArrayList<>();
// 過濾出價格大于100的訂單
for (Order order : orders) {
if (order.getPrice() > 100){
result.add(order);
}
}
// 按照日期進行排序
Collections.sort(result,new Comparator<Order>(){
@Override
public int compare(Order o1, Order o2) {
return Integer.compare(o1.getDate(),o2.getDate());
}
});
// 取出訂單名稱
ArrayList<Order> names = new ArrayList<>();
for (Order order : result) {
names.add(order.getName());
}
// 打印
System.out.println(names.toString());
}
}
上述示例代碼代碼中產生了兩個多余的聲明,result 和 names,這兩個的聲明在整個過程中的作用是作為一個中間數據存儲容器,而且還需要將整體的操作多次遍歷。
那么通過 Stream 流是如何處理上述數據的,請看下面示例
java復制代碼public class Stream {
public static void main(String[] args) {
java.util.List<Order> orders = new ArrayList<>();
orders.add( new Order(1, "水果", 18, "2023-08-13"));
orders.add( new Order(2, "衣服", 59, "2023-08-12"));
orders.add( new Order(3, "日用品", 28, "2023-08-11"));
orders.add( new Order(4, "電子產品", 8999, "2023-08-10"));
orders.add( new Order(5, "圖書", 128, "2023-08-09"));
// 直接遍歷輸出
orders.stream()
.filter(order -> order.getPrice() > 100) // 過濾出價格大于100的訂單
.sorted(Comparator.comparing(Order::getDate)) // 按照日期進行排序
.map(Order::getName)// 取出訂單名稱
.forEach(System.out::println); // 遍歷輸出
// 得到新的集合進行輸出
List<String> result = orders.stream()
.filter(order -> order.getPrice() > 100).sorted(Comparator.comparing(Order::getDate))
.map(Order::getName).collect(Collectors.toList());
System.out.println(result);
}
}
通過上述代碼的執行,可以發現無需再去定義過多的冗余變量。我們可以將多個操作組成一個調用鏈,形成數據處理流水線。在減少代碼量的同時也更加的清晰易懂。
并且對于現在調用的方法,本身都是一種高層次構件,與線程模型無關。因此在并行使用中,開發者們無需再去操心線程和鎖了。Stream內部都已經做好了。
更好的理解 Sream 流操作
把 Stream 流操作理解成數據庫的查詢操作
集合=數據表 元素=表中的每條數據 屬性=數據列 流 API = SQL 查詢
Stream 流主要思想
Stream 流思想就是將集合的操作由傳統的 for 循環式(外部迭代)轉變為 Stream 流式操作(內部迭代)
外部迭代
所有的集合迭代所及都是在我們自己編寫的代碼中,所以這種顯式的方式稱之為外部迭代。其主要關注于數據本身。并且一般都是串行的。
1)for 循環是串行的,而且必須按照集合中元素的順序進行依次處理,要想改造成并行的話,需要修改每個for循環 2)使用是及早求值,返回的是另一個值或空。使用性能上存在一點點的瑕疵 3)易讀性不好,如果for中嵌套大量循環與功能代碼,閱讀起來簡直是災難
內部迭代
而內部迭代來說,它所操作的就是不是一個集合了,而是一個流。它會將所有的操作融合在流中,由其在內部進行處
理,這種隱式的方式稱之為內部迭代。并且內部迭代支持并行處理,更利于集合操作的性能優化。其關注與對數據的計算。
Stream 操作詳解
Stream 流接口中定義了許多對于集合的操作方法,總的來說分為以下兩大類
- 中間操作:會返回一個流,通過這種方式可以將多個中間操作連接起來,形成一個調用鏈,從而轉換為另外一個流。除非調用鏈最后存在一個終端操作,否則中間操作對流不會進行任何結果處理。
- 終端操作:會返回一個具體的結果,比如 boolean、list、integer 等類型結果。
篩選操作
對于集合的操作,經常性的會涉及到對于集中符合條件的數據篩選,Stream 中對于數據篩選兩個常見的API:filter(過濾)、distinct(去重)
filter
filter 是 Stream 中的一個中間操作,它接受一個 Predicate 參數,用于篩選出符合條件的元素。Predicate 是一個函數式接口,用于表示一個條件判斷操作。
使用 filter 操作篩選元素
java復制代碼import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;
public class StreamFilterExample {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = List.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10);
List<Integer> evenNumbers = numbers.stream()
.filter(num -> num % 2 == 0)
.collect(Collectors.toList());
System.out.println("Even numbers: " + evenNumbers);
}
}
在上面的示例中,我們創建了一個整數列表 numbers,然后使用 stream 方法將其轉換為一個流。接著,我們使用 filter 操作篩選出偶數,最后通過 collect 方法將結果收集到一個新的列表中。
自定義篩選條件
你可以根據自己的需求定義不同的篩選條件。例如,篩選出字符串長度大于 5 的元素:
java復制代碼import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;
public class StreamFilterExample {
public static void main(String[] args) {
List<String> words = List.of("Apple", "banana", "cherry", "date", "elderberry");
List<String> longWords = words.stream()
.filter(word -> word.length() > 5)
.collect(Collectors.toList());
System.out.println("Long words: " + longWords);
}
}
源碼解析
java復制代碼 @Override
public final Stream<P_OUT> filter(Predicate<? super P_OUT> predicate) {
// 判斷 predicate 是否為 null,如果為 null,則拋出 NullPointerException
Objects.requireNonNull(predicate);
/**
* 構建 Stream ,重寫 onWrapSink 方法
*/
return new StatelessOp<P_OUT, P_OUT>(this, StreamShape.REFERENCE,
StreamOpFlag.NOT_SIZED) {
@Override
Sink<P_OUT> opWrapSink(int flags, Sink<P_OUT> sink) {
return new Sink.ChainedReference<P_OUT, P_OUT>(sink) {
/**
* 流已經構建完成,但是因為 begin 方法會優先執行,此時無法明確流中后續會存在多少元素,所有傳遞 -1,代表無法確定
*/
@Override
public void begin(long size) {
downstream.begin(-1);
}
//調用 predicate 中的 test 方法,進行條件判斷,最終將符合條件數據放入流中
@Override
public void accept(P_OUT u) {
if (predicate.test(u))
downstream.accept(u);
}
};
}
};
}
distinct
distinct 是一個中間操作,它可以應用于 Stream 上,用于消除流中的重復元素。
使用 distinct 操作去除重復元素
java復制代碼import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;
public class StreamDistinctExample {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = List.of(1, 2, 2, 3, 4, 4, 5, 5, 5);
List<Integer> distinctNumbers = numbers.stream()
.distinct()
.collect(Collectors.toList());
System.out.println("Distinct numbers: " + distinctNumbers);
}
}
在上面的示例中,我們創建了一個整數列表 numbers,其中包含重復的元素。使用 stream 方法將列表轉換為流,然后應用 distinct 操作消除重復元素。最終,通過 collect 方法將結果收集到一個新的列表中。
自定義去重邏輯
distinct 操作默認使用對象的 equals 方法來判斷是否為重復元素。
如果你希望根據自定義的邏輯來判斷元素是否重復,可以結合 equals 和 hashCode 方法的重寫,或者使用 Comparator 來自定義比較。
java復制代碼import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;
// 定義 Person 對象
class Person {
private String name;
public Person(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (obj instanceof Person) {
return this.name.equals(((Person) obj).name);
}
return false;
}
@Override
public int hashCode() {
return this.name.hashCode();
}
}
public class StreamDistinctExample {
public static void main(String[] args) {
// 創建 Person 對象集合
List<Person> people = List.of(
new Person("Alice"),
new Person("Bob"),
new Person("Alice")
);
List<Person> distinctPeople = people.stream()
.distinct()
.collect(Collectors.toList());
System.out.println("Distinct people: " + distinctPeople.stream().map(Person::getName).collect(Collectors.toList()));
}
}
切片操作
切片操作是 Java 8 中 Stream API 提供的一組操作,用于對流中的元素進行截取或分割,以獲取所需的部分元素。這組操作包括 limit、skip 和 substream(Java 9 及以上版本)。
limit
limit 操作是 Stream API 中的一個中間操作,它允許我們從流中獲取指定數量的元素,然后返回一個新的流。這個操作在許多場景中都很有用,比如只需要查看前幾條記錄、分頁顯示數據等情況。
使用 limit 操作獲取前 N 個元素
java復制代碼public class LimitDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
numbers.stream()
.limit(3)
.forEach(System.out::println);
}
}
在這個例子中,我們創建了一個包含整數的列表。我們首先將其轉換為流,然后使用 limit 方法只獲取前三個元素。最后,我們使用 forEach 方法打印輸出結果。 過 limit 方法,我們限制了輸出結果的大小,只獲取了前三個元素。除了以上的基本用法之外,limit 方法還可以和其他 Stream 方法一起使用,進行更復雜的操作。
源碼分析
java復制代碼 @Override
public final Stream<P_OUT> limit(long maxSize) {
if (maxSize < 0)
throw new IllegalArgumentException(Long.toString(maxSize));
return SliceOps.makeRef(this, 0, maxSize);
}
public static <T> Stream<T> makeRef(AbstractPipeline<?, T, ?> upstream,
long skip, long limit) {
if (skip < 0)
throw new IllegalArgumentException("Skip must be non-negative: " + skip);
return new ReferencePipeline.StatefulOp<T, T>(upstream, StreamShape.REFERENCE,
flags(limit)) {
Spliterator<T> unorderedSkipLimitSpliterator(Spliterator<T> s,
long skip, long limit, long sizeIfKnown) {
if (skip <= sizeIfKnown) {
// Use just the limit if the number of elements
// to skip is <= the known pipeline size
limit = limit >= 0 ? Math.min(limit, sizeIfKnown - skip) : sizeIfKnown - skip;
skip = 0;
}
return new StreamSpliterators.UnorderedSliceSpliterator.OfRef<>(s, skip, limit);
}
}
- 對于limit方法的實現,它會接收截取的長度,如果該值小于0,則拋出異常,否則會繼續向下調用SliceOps.makeRef()。
- 該方法中this代表當前流,skip代表需要跳過元素,比方說本來應該有4個元素,當跳過元素值為2,會跳過前面兩個元素,獲取后面兩個。maxSize代表要截取的長度.
- 在makeRef方法中的unorderedSkipLimitSpliterator()中接收了四個參數Spliterator,skip(跳過個數)、limit(截取個數)、sizeIfKnown(已知流大小)。如果跳過個數小于已知流大小,則判斷跳過個數是否大于0,如果大于則取截取個數或已知流大小-跳過個數的兩者最小值,否則取已知流大小-跳過個數的結果,作為跳過個數。 最后對集合基于跳過個數和截取個數進行切割。
skip
skip 操作是 Stream API 中的一個中間操作,它允許我們跳過流中的指定數量元素,然后返回一個新的流。這個操作在許多場景中都很有用,比如分頁顯示數據、去除前幾條記錄等情況。
使用 skip 操作獲取前 N 個元素
java復制代碼public class SkipDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
numbers.stream()
.skip(2)
.forEach(System.out::println);
}
}
使用 forEach 方法打印輸出結果。 過 limit 方法,我們限制了輸出結果的大小,只獲取了前三個元素。除了以上的基本用法之外,limit 方法還可以和其他 Stream 方法一起使用,進行更復雜的操作。
映射操作
在Stream API中,映射操作是指將一個流中的每個元素都應用于一個函數,并將結果存儲在一個新的流中。這個函數可以是一個Lambda表達式,也可以是一個方法引用。映射操作可以用于將一個流中的元素轉化為另一種類型,或者提取出某個屬性或字段。映射操作就是將一個集合的每個元素應用某個函數,并將返回值形成一個新的集合。
map
Stream接口中的map()方法是用于映射操作的主要方法之一。它接受一個Function函數作為參數,該函數將被應用于流中的每個元素,并返回一個新的流。
使用 Map 操作
java復制代碼
public class MapDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
List<Integer> squares = numbers.stream()
.map(n -> n * n)
.collect(Collectors.toList());
}
}
上述代碼中,map() 方法將集合中的每個元素進行平方計算,并將計算結果組成一個新的集合。
源碼分析
java復制代碼 public final <R> Stream<R> map(Function<? super P_OUT, ? extends R> mapper) {
Objects.requireNonNull(mapper);
return new StatelessOp<P_OUT, R>(this, StreamShape.REFERENCE,
StreamOpFlag.NOT_SORTED | StreamOpFlag.NOT_DISTINCT) {
@Override
Sink<P_OUT> opWrapSink(int flags, Sink<R> sink) {
return new Sink.ChainedReference<P_OUT, R>(sink) {
@Override
public void accept(P_OUT u) {
downstream.accept(mapper.apply(u));
}
};
}
};
}
將當前流給定函數中的元素,包含到一個新的流中進行返回其會接收一個Function函數式接口,內部接收一個 內部對Function函數式接口中的apply方法進行實現,接收一個對象,返回另外一個對象,并把這個內容存入當前流中,最后返回。
flatMap
除了map()方法之外,Stream API還提供了flatMap()方法用于進行扁平化映射操作。它接受一個Function函數作為參數,該函數將被應用于流中的每個元素,并返回一個新的流。不同之處在于,flatMap 操作在處理嵌套集合、展開多維數據結構等場景中非常有用。
使用 flatMap 操作
java復制代碼public class FlatMapDemo {
public static void main(String[] args) {
List<List<Integer>> nestedList = Arrays.asList(
Arrays.asList(1, 2, 3),
Arrays.asList(4, 5, 6),
Arrays.asList(7, 8, 9)
);
List<Integer> flattenedList = nestedList.stream()
.flatMap(List::stream)
.collect(Collectors.toList());
System.out.println(flattenedList); // 輸出 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
}
}
在上面的示例中,我們使用flatMap()方法將每個子列表轉換為流,然后合并這些流為一個扁平的流。
java復制代碼 public static void main(String[] args) {
List<String> words = Arrays.asList("Hello", "Stream", "API");
List<Character> characters = words.stream()
.flatMap(str -> str.chars().mapToObj(c -> (char) c))
.collect(Collectors.toList());
System.out.println(characters); // 輸出 [H, e, l, l, o, S, t, r, e, a, m, A, P, I]
}
在上述示例中,flatMap 操作將每個單詞轉換為字符流,然后將所有字符流合并為一個字符流。
匹配操作
在日常開發中,有時還需要判斷集合中某些元素是否匹配對應條件,如果有的話,在進行后續的操作。在Stream API中也提供了相關方法供我們進行使用,如anyMatch、allMatch等。他們對應的就是 && 和 || 運算符。
anyMatch
anyMatch 操作是 Stream API 中的一個終端操作,用于檢查流中是否至少有一個元素滿足給定的條件。當流中有任何一個元素滿足條件時,anyMatch 操作會返回 true,否則返回 false。并且對于它的操作,一般叫做短路求值
短路求值就是對于集合的一些操作,在正常情況下,無需處理整個集合就能得到結果,比方說通過 && 或者 || 連接一個判斷條件,對于流來說,某些操作不用操作整個流就能得到結果
使用 anyMatch 操作
java復制代碼public class AnyMatchDemo {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> numbers = Arrays.asList(3, 8, 4, 9, 2, 7);
boolean hasNumberGreaterThanFive = numbers.stream()
.anyMatch(number -> number > 5);
System.out.println(hasNumberGreaterThanFive); // 輸出 true
}
}
在上述示例中,anyMatch 操作用于檢查是否有元素大于 5,由于列表中存在 8、9 和 7,所以返回結果為 true。
allMatch
allMatch 操作是 Stream API 中的一個終端操作,用于檢查流中的所有元素是否都滿足給定的條件。當流中的所有元素都滿足條件時,allMatch 操作會返回 true,否則返回 false。
使用 allMatch 操作
java復制代碼 public static void main(String[] args) {
List<String> words = Arrays.asList("apple", "banana", "orange", "grape");
boolean allWordsHaveLengthThreeOrMore = words.stream()
.allMatch(word -> word.length() >= 3);
System.out.println(allWordsHaveLengthThreeOrMore); // 輸出 true
}
在上述示例中,allMatch 操作用于檢查是否所有字符串的長度都大于等于 3,由于列表中的所有字符串都滿足條件,所以返回結果為 true。
查找操作
在日常開發中,有時候還需要從集合中查找符合條件的元素,Stream 也提供了相關的 API,如 findAny 和 findFirst 等方法。同時上述方法也可以跟其他流操作組合使用
findAny
findAny 操作是 Stream API 中的一個終端操作,它用于在流中查找任意一個滿足給定條件的元素。由于流可能是并行處理的,所以返回的是一個可能滿足條件的元素,而不是第一個元素
java復制代碼
public static void main(String[] args) {
List<String> words = Arrays.asList("apple", "banana", "orange", "grape");
Optional<String> anyWordStartingWithA = words.stream()
.filter(word -> word.startsWith("a"))
.findAny();
if (anyWordStartingWithA.isPresent()) {
System.out.println("Found: " + anyWordStartingWithA.get()); // 輸出 Found: apple 或其他以 "a" 開頭的單詞
} else {
System.out.println("Not found");
}
}
在上述示例中,filter 操作用于過濾以字母 "a" 開頭的單詞,然后使用 findAny 操作來查找任意一個滿足條件的單詞。
findFirst
findFirst 操作是 Stream API 中的一個終端操作,它用于在流中查找第一個滿足給定條件的元素。由于流可能是并行處理的,所以返回的是第一個滿足條件的元素。
使用 findFirst 操作
java復制代碼 public static void main(String[] args) {
List<String> words = Arrays.asList("apple", "banana", "orange", "grape");
Optional<String> firstWordStartingWithA = words.stream()
.filter(word -> word.startsWith("a"))
.findFirst();
if (firstWordStartingWithA.isPresent()) {
System.out.println("Found: " + firstWordStartingWithA.get()); // 輸出 Found: apple
} else {
System.out.println("Not found");
}
}
在上述示例中,filter 操作用于過濾以字母 "a" 開頭的單詞,然后使用 findFirst 操作來查找第一個滿足條件的單詞。
歸約操作
歸約操作是將一個流中的元素按照給定的操作進行合并,得到一個最終的結果。歸約操作的基本思想是將流中的元素逐個進行合并,最終得到一個合并后的結果。
在 Stream API 中,reduce 方法用于實現歸約操作。它有兩種重載形式:
- Optional<T> reduce(BinaryOperator<T> accumulator)
- T reduce(T identity, BinaryOperator<T> accumulator)
其中,accumulator 是一個二元操作,用于定義合并規則。identity 是一個初始值,用于在歸約開始前初始化結果。
使用歸約操作
示例 1:對整數列表求和
假設我們有一個整數列表,現在我們想要計算列表中所有元素的和。
ini復制代碼javaCopy code
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
int sum = numbers.stream()
.reduce(0, (a, b) -> a + b);
System.out.println("Sum: " + sum); // 輸出 Sum: 15
在上述示例中,reduce 操作用于計算整數列表中所有元素的和。
示例 2:連接字符串列表
假設我們有一個字符串列表,現在我們想要將列表中的所有字符串連接成一個大字符串。
ini復制代碼javaCopy code
List<String> words = Arrays.asList("Hello", "Stream", "API");
String concatenated = words.stream()
.reduce("", (a, b) -> a + " " + b);
System.out.println("Concatenated: " + concatenated); // 輸出 Concatenated: Hello Stream API
在上述示例中,reduce 操作用于將字符串列表中的所有字符串連接成一個大字符串。
示例 3:求最大值
假設我們有一個整數列表,現在我們想要找到列表中的最大值。
ini復制代碼javaCopy code
List<Integer> numbers = Arrays.asList(5, 9, 3, 7, 1);
Optional<Integer> max = numbers.stream()
.reduce(Integer::max);
max.ifPresent(value -> System.out.println("Max: " + value)); // 輸出 Max: 9
在上述示例中,reduce 操作用于找到整數列表中的最大值。
總結
Stream 是 Java 8 中引入的一個強大的功能,它提供了一種更簡潔、更具有表現力的方式來處理集合數據。通過使用 Stream,我們可以輕松地進行過濾、映射、排序、歸約等操作,從而實現更加優雅和函數式的代碼編寫。