Java——Stream流API（一）

本文总结自《Modern Java in Action》(Java 8)

简介

引入

流（Stream，Java 8出现的新API），它允许以声明性方式处理数据集合（即通过查询语句来表达，而不是临时编写一个实现）。
举一个例子来说明上述流的性质：要求返回低热量（卡路里低于400）的菜肴名称，并按卡路里大小升序排列：
在没有流之前，我们可能会这么写：

List<Dish> lowCaloricDishes = new ArrayList<>(); //首先筛选出第卡路里的菜品
for (Dish d : menu) {
    if (d.getCalories() < 400) {
        lowCaloricDishes.add(d);
    }
}
Collections.sort(lowCaloricDishes, new Comparator<Dish>() { //对上述结果集合进行排序
    public int compare(Dish d1, Dish d2) {
        return Integer.compare(d1.getCalories(), d2.getCalories());
    }
});
List<String> lowCaloricDishesName = new ArrayList<>(); //最终取出菜品名存入结果集中
for (Dish d : lowCaloricDishes) {
    lowCaloricDishesName.add(d.getName());
}

咋一看答案很正确、思路很清晰，可读性也不错，但是总觉得有一些复杂，而且还需要一个中间变量容器lowCaloricDishes；在有了Stream流之后，代码将变得非常简洁，如下：

List<String> lowCaloricDishesName =menu.stream() //生成流
        .filter(d -> d.getCalories() < 400)  //筛选出符合条件的数据
        .sorted(comparing(Dish::getCalories)) //排序
        .map(Dish::getName) //映射出菜品名
        .collect(toList()); //将流转化为集合

在上述流的代码中，我们不关心具体内部是如何实现的（实现由内部API帮忙实现了），而更加关心实现的逻辑，相比之下的优势如下：

• 代码是以声明性方式写的：说明想要完成什么而不是说明如何实现一个操作。这种方法加上行为参数化让你可以轻松应对变化的需求：很容易再创建一个代码版本，利用Lambda表达式来筛选高卡路里的菜肴，而用不着去复制粘贴代码；
• 可以把几个基础操作链接起来，来表达复杂的数据处理流水线（在filter后面接上sorted、map和collect操作，如图所示），同时保持代码清晰可读。
  

总结一下，Java 8中的Stream可以让你写出这样的代码：

• 声明性——更简洁，更易读；
• 可复合——更灵活；
• 可并行——性能更好（之后篇章介绍）。

概念

流到底是什么呢？通过上述案例，我们可能对流有了一点点模糊的印象，现在我们来看定义：从支持数据处理操作的源生成的元素序列：

• 元素序列——就像集合一样，流也提供了一个接口，可以访问特定元素类型的一组有序值。因为集合是数据结构，所以它的主要目的是以特定的时间/空间复杂度存储和访问元素。但流的目的在于表达计算，比如你前面见到的filter、sorted和map。集合讲的是数据，流讲的是计算；
• 源——流由一个提供数据的源生成，如集合、数组或输入/输出资源。 从有序集合生成流时会保留原有的顺序；
• 数据处理操作——流的数据处理功能支持类似于数据库的操作，以及函数式编程语言中的常用操作（如filter、map、reduce、find、match、sort等），流操作可以顺序执行，也可并行执行。

此外，流操作有两个重要的特点：

1. 流水线——很多流操作本身会返回一个流，这样多个操作就可以链接起来，形成一个大的流水线；
2. 内部迭代——与使用迭代器显式迭代的集合不同，流的迭代操作是在背后进行的。

现在借助一段代码增强理解：

List<String> threeHighCaloricDishNames = menu.stream() //从menu中获取流
                .filter(d -> d.getCalories() > 300) //建立起操作流水线
                .map(Dish::getName)  //中间操作均由一个流转变为另一个流
                .limit(3)
                .collect(toList());  //将最终流存入结果集中

具体操作顺序如下：

1. 先是对menu调用stream方法，由菜单得到一个流（数据源是菜肴列表，它给流提供一个元素序列）；
2. 接下来，对流应用一系列数据处理操作：filter、map、limit和collect。除了collect之外，所有这些操作都会返回另一个流，这样它们就可以接成一条流水线，于是就可以看作对源的一个查询；
3. 最后，collect操作开始处理流水线，并返回结果。

具体流程图：

接下来再通过一个比喻来区别集合与流，并加强对流的理解：比如看一部电影，你将电影下载到本地，那么存在本地的电影就相当于集合；或者你也可以选择在线观看，此时的电影可以看做是一个流（字节流或帧流），播放器只需提前下载用户观看位置的那几帧即可，这样不用等到流中大部分值计算出来、将整部电影缓存完成才能看，不然等待时间就太长了。

流操作

包含中间操作和终端操作两部分，可以连接起来的流操作称为中间操作，关闭流的操作称为终端操作。

List<String> names = menu.stream()
                .filter(d -> d.getCalories() > 300)
                .map(Dish::getName)
                .limit(3)
                .collect(toList()); //终端操作，其余均为中间操作

用图来看：

中间操作

中间操作会返回另一个流，这让多个操作可以连接起来形成一个查询。（注：除非流水线上触发一个终端操作，否则中间操作不会执行任何处理，这是因为中间操作一般都可以合并起来，在终端操作时一次性全部处理）
用一段代码来看一下流水线的具体操作：

List<String> names =
        menu.stream()
                .filter(d -> {
                    System.out.println("filtering" + d.getName());
                    return d.getCalories() > 300;
                })
                .map(d -> {
                    System.out.println("mapping" + d.getName());
                    return d.getName();
                })
                .limit(3)
                .collect(toList());
System.out.println(names);

filtering pork
mapping pork
filtering beef
filtering chicken
mapping chicken
filtering french fries
mapping french fries
[pork, chicken, french fries]

不难发现中间操作并不是隔开单独进行的，先是通过了filter操作后才可进行下一步的map，而由于limit操作，我们并未将集合中所有元素全部遍历，由此提高了效率。

终端操作

终端操作会从流的流水线生成结果。其结果是任何不是流的值，比如List在这里插入代码片、Integer，甚至void。

流的使用

流的使用一般包括三件事：

1. 一个数据源（如集合）来执行一个查询；
2. 一个中间操作链，形成一条流的流水线；
3. 一个终端操作，执行流水线，并能生成结果。

下表中枚举了一些中间操作和终端操作：

中间操作

操作	返回类型	操作参数	函数描述符
filter	Stream	Predicate T	T -> boolean
map	Stream	Function<T, R>	T -> R
limit	Stream
sorted	Stream	Comparator (T, T)	(T, T) -> int
distinct	Stream

终端操作

操作	目的
forEach	消费流中的每个元素并对其应用 Lambda。
count	返回流中元素的个数。
collect	把流归约成一个集合。

注意事项

和迭代器类似，流只能遍历一次，遍历完之后，我们就说这个流已经被消费掉了。

List<String> title = Arrays.asList("Java8", "In", "Action"); 
Stream<String> s = title.stream(); 
s.forEach(System.out::println); 
s.forEach(System.out::println); //将报错，流只能遍历一次

案例代码

//案例类Dish
public class Dish { //菜品
    private final String name; //菜品名称  
    private final boolean vegetarian; //是否为蔬菜
    private final int calories; //卡路里
    private final Type type; //菜品类型
    public enum Type { MEAT, FISH, OTHER }  //枚举菜品类型
    public Dish(String name, boolean vegetarian, int calories, Type type) {
        this.name = name;
        this.vegetarian = vegetarian;
        this.calories = calories;
        this.type = type;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public boolean isVegetarian() {
        return vegetarian;
    }
    public int getCalories() {
        return calories;
    }
    public Type getType() {
        return type;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }
}

//数据
List<Dish> menu = new ArrayList<>(Arrays.asList( //菜单menu，一张菜肴列表
                new Dish("pork", false, 800, Dish.Type.MEAT),
                new Dish("beef", false, 200, Dish.Type.MEAT),
                new Dish("chicken", false, 400, Dish.Type.MEAT),
                new Dish("french fries", true, 530, Dish.Type.OTHER),
                new Dish("rice", true, 350, Dish.Type.OTHER),
                new Dish("season fruit", true, 120, Dish.Type.OTHER),
                new Dish("pizza", true, 550, Dish.Type.OTHER),
                new Dish("prawns", false, 300, Dish.Type.FISH),
                new Dish("salmon", false, 450, Dish.Type.FISH)));