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Java流（Stream）详解

article 2024/11/15 9:13:18

1. Java8对流的支持

流是一个与任何特定的存储机制都没有关系的元素序列。不同于在集合中遍历元素，使用流的时候，我们是从一个管道中抽取元素，并对它们逬行操作。这些管道通常会被串联到一起，形成这个流上的一个操作管线。

流的一个核心优点是，它们能使我们的程序更小，也更好理解。当配合流使用时，Lambda 表达式和方法引用就发挥出其威力了。流大大提升了 Java 8 的吸引力。

假设我们想按照有序方式显示随机选择的5~20范围内的，不重复的整数，借助流我们只需要说明想做什么即可实现：

package stream;

import java.util.Random;

public class Randoms {
    public static void main(String[] args) {
        new Random(47)
                .ints(5, 20)
                .distinct().limit(5)
                .sorted()
                .forEach(System.out::println);

        /*
         * 6
         * 10
         * 13
         * 16
         * 18
         */
    }
}

我们先为 Random 对象设置一个随机种子，ints() 方法会生成一个流，该方法有多个重载版本，其中两个参数的版本可以设置所生成值的上下界。使用中间流操作 distinct() 去掉重复的值，再使用 limit() 选择前5个值，sorted() 表示元素是有序的，最后我们想显示每一个条目，所以使用了 forEach()，它会根据我们传递的函数，在每个流对象上执行一个操作。这里我们传递了一个方法引用 System.out::println，用于将每个条目显示在控制台上。

使用流实现的代码我们看不到任何显式的迭代机制，因此成为内部迭代，这是流编程的一个核心特性。

2. 流的创建

使用 Stream.of()，可以轻松地将一组条目变成一个流：

package stream;

import java.util.stream.Stream;

public class StreamOf {
    public static void main(String[] args) {
        Stream.of(4, 1, 7).forEach(System.out::println);
        Stream.of("Hello ", "World ", "AsanoSaki").forEach(System.out::print);

        /*
         * 4
         * 1
         * 7
         * Hello World AsanoSaki
         */
    }
}

此外，每个 Collection 都可以使用 stream() 方法来生成一个流：

package stream;

import java.util.*;
import java.util.stream.Collectors;

class A {
    int x;

    A(int x) { this.x = x; }
}

public class CollectionToStream {
    public static void main(String[] args) {
        List<A> listA = Arrays.asList(new A(1), new A(2), new A(3));
        System.out.println(listA.stream().mapToInt(a -> a.x).sum());

        Set<String> st = new TreeSet<>(Arrays.asList("Hello world and java".split(" ")));
        System.out.println(st.stream().map(String::toUpperCase).collect(Collectors.joining(" ")));

        Map<String, Double> mp = new HashMap<>();
        mp.put("PI", 3.14);
        mp.put("E", 2.718);
        mp.put("PHI", 1.618);
        mp.entrySet().stream()
                .map(e -> e.getKey() + ": " + e.getValue())
                .forEach(System.out::println);

        /*
         * 6
         * HELLO AND JAVA WORLD
         * PHI: 1.618
         * E: 2.718
         * PI: 3.14
         */
    }
}

在创建了一个 List<A> 之后，只需要调用一下 stream() 这个所有集合类都有的方法。中间的 map() 操作接受流中的毎个元素，在其上应用一个操作来创建一个新的元素，然后将这个新元素沿着流继续传递下去，这里的 mapToInt() 将一个对象流转变成了一个包含 Integer 的 IntStream。对于 Float 和 Double 也有名字类似的操作。

collect() 操作会根据其参数将所有的流元素组合起来，当我们使用 Collectors.joining() 时，得到的结果是一个 String，每个元素都会以 joining() 的参数分隔，还有其他很多 Collectors，可以生成不同的结果。

为了从 Map 集合生成一个流，我们首先调用 entrySet() 来生成一个对象流，其中每个对象都包含着一个键和与其关联的值，然后再使用 getKey() 和 getValue() 将其分开。

2.1 随机数流

Ramdom 类在 Java 8 引入了流，有一组可以生成流的方法：

package stream;

import java.util.Random;
import java.util.stream.Stream;

public class RandomGenerators {
    public static <T> void show(Stream<T> stream) {
        stream.limit(3).map(x -> x + " ").forEach(System.out::print);
        System.out.println();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Random rand = new Random(47);
        show(rand.ints().boxed());
        show(rand.doubles().boxed());
        show(rand.ints(10, 20).boxed());  // 设置上下边界
        show(rand.ints(2).boxed());  // 设置流的大小
        show(rand.ints(2, 10, 20).boxed());  // 设置流的大小与上下边界

        /*
         * -1172028779 1717241110 -2014573909
         * 0.053412216308810656 0.5779976127815049 0.4170137422770571
         * 17 18 18
         * 1122537102 491149179
         * 19 18
         */
    }
}

为消除冗余代码，上面的示例创建了泛型方法 show(Stream<T> stream)，这个特性在之后会讲。类型参数 T 可以是任何东西，所以使用 Integer、Long 和 Double 都可以。然而，Random 类只会生成 int、long 和 double 等基本类型的值。幸运的是，boxed() 流操作会自动将基本类型转换为其对应的包装器类型，使得 show() 能够接受这个流。

2.2 整型的区间范围

IntStream 类提供了一个 range() 方法，可以生成一个流（由 int 值组成的序列），在编写循环时非常方便：

package stream;

import java.util.stream.Collectors;
import java.util.stream.IntStream;

public class IntStreamRange {
    public static void main(String[] args) {
        // for-in循环
        for (int i: IntStream.range(1, 5).toArray())
            System.out.print(i + " ");  // 1 2 3 4
        System.out.println();

        // Stream
        System.out.println(IntStream.range(1, 5).boxed().map(Object::toString).collect(Collectors.joining(" ")));  // 1 2 3 4
        IntStream.range(1, 5).boxed().forEach(x -> System.out.print(x + " "));  // 1 2 3 4
        System.out.println();
    }
}

现在我们编写一个 repeat() 工具函数取代简单的 for 循环：

package stream;

import java.util.stream.IntStream;

public class Repeat {
    static void repeat(int n, Runnable action) {
        IntStream.range(0, n).forEach(i -> action.run());
    }

    static void hello() {
        System.out.println("Hello");
    }

    public static void main(String[] args) {
        repeat(3, () -> System.out.println("Lambda"));
        repeat(2, Repeat::hello);

        /*
         * Lambda
         * Lambda
         * Lambda
         * Hello
         * Hello
         */
    }
}

2.3 Stream.generate()

Stream.generate() 可以接受任何的 Supplier<T>（java.util.function 中的接口），并生成一个由 T 类型的对象组成的流。如果想创建一个由完全相同的对象组成的流，只需要将一个生成这些对象的 Lambda 表达式传给 generate()：

package stream;

import java.util.Random;
import java.util.function.Supplier;
import java.util.stream.Collectors;
import java.util.stream.Stream;

public class Generator implements Supplier<String> {
    Random rand = new Random(47);
    char[] letters = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ".toCharArray();

    @Override
    public String get() {
        return String.valueOf(letters[rand.nextInt(letters.length)]);
    }

    public static void main(String[] args) {
        String str = Stream.generate(new Generator()).limit(10).collect(Collectors.joining());
        System.out.println(str);  // YNZBRNYGCF

        Stream.generate(() -> "AsanoSaki").limit(2).forEach(s -> System.out.print(s + " "));  // AsanoSaki AsanoSaki
    }
}