JDK8 新特性流式数据处理

淩亂°似流年 2022-05-10 11:04 244阅读 0赞

在学习JDK8新特性Optional类的时候，提到对于Optional的两个操作映射和过滤设计到JDK提供的流式出来。这篇文章便详细的介绍流式处理:

一. 流式处理简介

流式处理给开发者的第一感觉就是让集合操作变得简洁了许多，通常我们需要多行代码才能完成的操作，借助于流式处理可以在一行中实现。比如我们希望对一个包含整数的集合中筛选出所有的偶数，并将其封装成为一个新的List返回，那么在java8之前，我们需要通过如下代码实现：

对于一个nums的集合:

List<Integer> evens = new ArrayList<>();
    for (final Integer num : nums) {
        if (num % 2 == 0) {
            evens.add(num);
        }
    }

通过java8的流式处理，我们可以将代码简化为：

List<Integer> evens = nums.stream().filter(num -> num % 2 == 0).collect(Collectors.toList());

先简单解释一下上面这行语句的含义，stream()操作将集合转换成一个流，filter()执行我们自定义的筛选处理，这里是通过lambda表达式筛选出所有偶数，最后我们通过collect()对结果进行封装处理，并通过Collectors.toList()指定其封装成为一个List集合返回。

由上面的例子可以看出，java8的流式处理极大的简化了对于集合的操作，实际上不光是集合，包括数组、文件等，只要是可以转换成流，我们都可以借助流式处理，类似于我们写SQL语句一样对其进行操作。java8通过内部迭代来实现对流的处理，一个流式处理可以分为三个部分：转换成流、中间操作、终端操作。如下图：

![这里写图片描述][20161028151405428]

以集合为例，一个流式处理的操作我们首先需要调用stream()函数将其转换成流，然后再调用相应的中间操作达到我们需要对集合进行的操作，比如筛选、转换等，最后通过终端操作对前面的结果进行封装，返回我们需要的形式。

二. 中间操作

我们定义一个简单的学生实体类，用于后面的例子演示：

public class Student {
    
        /** 学号 */
        private long id;
    
        private String name;
    
        private int age;
    
        /** 年级 */
        private int grade;
    
        /** 专业 */
        private String major;
    
        /** 学校 */
        private String school;
    
        // 省略getter和setter
    }

初始化:

// 初始化
    List<Student> students = new ArrayList<Student>() {
        {
            add(new Student(20160001, "孔明", 20, 1, "土木工程", "武汉大学"));
            add(new Student(20160002, "伯约", 21, 2, "信息安全", "武汉大学"));
            add(new Student(20160003, "玄德", 22, 3, "经济管理", "武汉大学"));
            add(new Student(20160004, "云长", 21, 2, "信息安全", "武汉大学"));
            add(new Student(20161001, "翼德", 21, 2, "机械与自动化", "华中科技大学"));
            add(new Student(20161002, "元直", 23, 4, "土木工程", "华中科技大学"));
            add(new Student(20161003, "奉孝", 23, 4, "计算机科学", "华中科技大学"));
            add(new Student(20162001, "仲谋", 22, 3, "土木工程", "浙江大学"));
            add(new Student(20162002, "鲁肃", 23, 4, "计算机科学", "浙江大学"));
            add(new Student(20163001, "丁奉", 24, 5, "土木工程", "南京大学"));
        }
    };

过滤:

过滤，顾名思义就是按照给定的要求对集合进行筛选满足条件的元素，java8提供的筛选操作包括：filter、distinct、limit、skip。

**filter**  
在前面的例子中我们已经演示了如何使用filter，其定义为：`Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate)`，filter接受一个谓词Predicate，我们可以通过这个谓词定义筛选条件，在介绍lambda表达式时我们介绍过Predicate是一个函数式接口，其包含一个test(T t)方法，该方法返回boolean。现在我们希望从集合students中筛选出所有武汉大学的学生，那么我们可以通过filter来实现，并将筛选操作作为参数传递给filter：

List<Student> whuStudents = students.stream()
                                        .filter(student -> "武汉大学".equals(student.getSchool()))
                                        .collect(Collectors.toList());

**distinct**

distinct操作类似于我们在写SQL语句时，添加的DISTINCT关键字，用于去重处理，distinct基于Object.equals(Object)实现，回到最开始的例子，假设我们希望筛选出所有不重复的偶数，那么可以添加distinct操作：

List<Integer> evens = nums.stream()
                            .filter(num -> num % 2 == 0).distinct()
                            .collect(Collectors.toList());

**limit**

limit操作也类似于SQL语句中的LIMIT关键字，不过相对功能较弱，limit返回包含前n个元素的流，当集合大小小于n时，则返回实际长度，比如下面的例子返回前两个专业为土木工程专业的学生：

List<Student> civilStudents = students.stream()
                                        .filter(student -> "土木工程".equals(student.getMajor())).limit(2)
                                        .collect(Collectors.toList());

说到limit，不得不提及一下另外一个流操作：sorted。该操作用于对流中元素进行排序，sorted要求待比较的元素必须实现Comparable接口，如果没有实现也不要紧，我们可以将比较器作为参数传递给sorted(Comparator

List<Student> sortedCivilStudents = students.stream()
                                                .filter(student -> "土木工程".equals(student.getMajor())).sorted((s1, s2) -> s1.getAge() - s2.getAge())
                                                .limit(2)
                                                .collect(Collectors.toList());

**skip**

skip操作与limit操作相反，如同其字面意思一样，是跳过前n个元素，比如我们希望找出排序在2之后的土木工程专业的学生，那么可以实现为：

List<Student> civilStudents = students.stream()
                                        .filter(student -> "土木工程".equals(student.getMajor()))
                                        .skip(2)
                                        .collect(Collectors.toList());

通过skip，就会跳过前面两个元素，返回由后面所有元素构造的流，如果n大于满足条件的集合的长度，则会返回一个空的集合。

映射处理:

在SQL中，借助SELECT关键字后面添加需要的字段名称，可以仅输出我们需要的字段数据，而流式处理的映射操作也是实现这一目的，在java8的流式处理中，主要包含两类映射操作：map和flatMap。

map

举例说明，假设我们希望筛选出所有专业为计算机科学的学生姓名，那么我们可以在filter筛选的基础之上，通过map将学生实体映射成为学生姓名字符串，具体实现如下：

List<String> names = students.stream()
                                .filter(student -> "计算机科学".equals(student.getMajor()))
                                .map(Student::getName).collect(Collectors.toList());

熟悉Optional的话可以看出，这与Optional的处理方法一样。

除了上面这类基础的map，java8还提供了`mapToDouble(ToDoubleFunction<? super T> mapper)，mapToInt(ToIntFunction<? super T> mapper)，mapToLong(ToLongFunction<? super T> mapper)`，这些映射分别返回对应类型的流，java8为这些流设定了一些特殊的操作，比如我们希望计算所有专业为计算机科学学生的年龄之和，那么我们可以实现如下：

int totalAge = students.stream()
                        .filter(student -> "计算机科学".equals(student.getMajor()))
                        .mapToInt(Student::getAge).sum();

通过将Student按照年龄直接映射为IntStream，我们可以直接调用提供的sum()方法来达到目的，此外使用这些数值流的好处还在于可以避免jvm装箱操作所带来的性能消耗。

flatMap

flatMap与map的区别在于*\* flatMap是将一个流中的每个值都转成一个个流，然后再将这些流扁平化成为一个流 。\**举例说明，假设我们有一个字符串数组String\[\] strs = \{“java8”, “is”, “easy”, “to”, “use”\};，我们希望输出构成这一数组的所有非重复字符，那么我们可能首先会想到如下实现：

List<String[]> distinctStrs = Arrays.stream(strs)
                                    .map(str -> str.split(""))  // 映射成为Stream<String[]>
                                    .distinct()
                                    .collect(Collectors.toList());

在执行map操作以后，我们得到是一个包含多个字符串（构成一个字符串的字符数组）的流，此时执行distinct操作是基于在这些字符串数组之间的对比，所以达不到我们希望的目的，此时的输出为：

[j, a, v, a, 8]
    [i, s]
    [e, a, s, y]
    [t, o]
    [u, s, e]

distinct只有对于一个包含多个字符的流进行操作才能达到我们的目的，即对`Stream<String>`进行操作。此时flatMap就可以达到我们的目的：

List<String> distinctStrs = Arrays.stream(strs)
                                    .map(str -> str.split(""))  // 映射成为Stream<String[]>
                                    .flatMap(Arrays::stream)  // 扁平化为Stream<String>
                                    .distinct()
                                    .collect(Collectors.toList());

`flatMap将由map映射得到的Stream<String[]>，转换成由各个字符串数组映射成的流Stream<String>，再将这些小的流扁平化成为一个由所有字符串构成的大流Steam<String>，从而能够达到我们的目的。`

`与map类似，flatMap也提供了针对特定类型的映射操作：flatMapToDouble(Function<? super T,? extends DoubleStream> mapper)，flatMapToInt(Function<? super T,? extends IntStream> mapper)，flatMapToLong(Function<? super T,? extends LongStream> mapper)`

三. 终端操作

终端操作是流式处理的最后一步，我们可以在终端操作中实现对流查找、归约等操作。

3.1 查找

**allMatch**

allMatch用于检测是否全部都满足指定的参数行为，如果全部满足则返回true，例如我们希望检测是否所有的学生都已满18周岁，那么可以实现为：

boolean isAdult = students.stream().allMatch(student -> student.getAge() >= 18);

*  1

**anyMatch**

anyMatch则是检测是否存在一个或多个满足指定的参数行为，如果满足则返回true，例如我们希望检测是否有来自武汉大学的学生，那么可以实现为：

boolean hasWhu = students.stream().anyMatch(student -> "武汉大学".equals(student.getSchool()));

*  1

**noneMathch**

noneMatch用于检测是否不存在满足指定行为的元素，如果不存在则返回true，例如我们希望检测是否不存在专业为计算机科学的学生，可以实现如下：

boolean noneCs = students.stream().noneMatch(student -> "计算机科学".equals(student.getMajor()));

*  1

**findFirst**

findFirst用于返回满足条件的第一个元素，比如我们希望选出专业为土木工程的排在第一个学生，那么可以实现如下：

Optional<Student> optStu = students.stream().filter(student -> "土木工程".equals(student.getMajor())).findFirst();

*  1

findFirst不携带参数，具体的查找条件可以通过filter设置，此外我们可以发现findFirst返回的是一个Optional类型.

**findAny**

findAny相对于findFirst的区别在于，findAny不一定返回第一个，而是返回任意一个，比如我们希望返回任意一个专业为土木工程的学生，可以实现如下：

Optional<Student> optStu = students.stream().filter(student -> "土木工`程".equals(student.getMajor())).findAny();

*  1

实际上对于顺序流式处理而言，findFirst和findAny返回的结果是一样的，至于为什么会这样设计，接下来我们介绍的并行流式处理，当我们启用并行流式处理的时候，查找第一个元素往往会有很多限制，如果不是特别需求，在并行流式处理中使用findAny的性能要比findFirst好。

归约

前面的例子中我们大部分都是通过collect(Collectors.toList())对数据封装返回，如我的目标不是返回一个新的集合，而是希望对经过参数化操作后的集合进行进一步的运算，那么我们可用对集合实施归约操作。java8的流式处理提供了reduce方法来达到这一目的。

前面我们通过mapToInt将`Stream<Student>`映射成为IntStream，并通过IntStream的sum方法求得所有学生的年龄之和，实际上我们通过归约操作，也可以达到这一目的，实现如下：

// 前面例子中的方法
    int totalAge = students.stream()
                    .filter(student -> "计算机科学".equals(student.getMajor()))
                    .mapToInt(Student::getAge).sum();
    // 归约操作
    int totalAge = students.stream()
                    .filter(student -> "计算机科学".equals(student.getMajor()))
                    .map(Student::getAge)
                    .reduce(0, (a, b) -> a + b);
    
    // 进一步简化
    int totalAge2 = students.stream()
                    .filter(student -> "计算机科学".equals(student.getMajor()))
                    .map(Student::getAge)
                    .reduce(0, Integer::sum);
    
    // 采用无初始值的重载版本，需要注意返回Optional
    Optional<Integer> totalAge = students.stream()
                    .filter(student -> "计算机科学".equals(student.getMajor()))
                    .map(Student::getAge)
                    .reduce(Integer::sum);  // 去掉初始值

收集

前面利用collect(Collectors.toList())是一个简单的收集操作，是对处理结果的封装，对应的还有toSet、toMap，以满足我们对于结果组织的需求。这些方法均来自于java.util.stream.Collectors，我们可以称之为收集器。

收集器也提供了相应的归约操作，但是与reduce在内部实现上是有区别的，收集器更加适用于可变容器上的归约操作，这些收集器广义上均基于Collectors.reducing()实现。

**求学生的总人数**

long count = students.stream().collect(Collectors.counting());
    
    // 进一步简化
    long count = students.stream().count();

求年龄的最大值和最小值

// 求最大年龄
    Optional<Student> olderStudent = students.stream().collect(Collectors.maxBy((s1, s2) -> s1.getAge() - s2.getAge()));
    
    // 进一步简化
    Optional<Student> olderStudent2 = students.stream().collect(Collectors.maxBy(Comparator.comparing(Student::getAge)));
    
    // 求最小年龄
    Optional<Student> olderStudent3 = students.stream().collect(Collectors.minBy(Comparator.comparing(Student::getAge)));

求年龄总和

int totalAge4 = students.stream().collect(Collectors.summingInt(Student::getAge));

字符串拼接

String names = students.stream().map(Student::getName).collect(Collectors.joining());
    // 输出：孔明伯约玄德云长翼德元直奉孝仲谋鲁肃丁奉
    String names = students.stream().map(Student::getName).collect(Collectors.joining(", "));
    // 输出：孔明, 伯约, 玄德, 云长, 翼德, 元直, 奉孝, 仲谋, 鲁肃, 丁奉

四. 并行流式数据处理

流式处理中的很多都适合采用 分而治之 的思想，从而在处理集合较大时，极大的提高代码的性能，java8的设计者也看到了这一点，所以提供了 并行流式处理。上面的例子中我们都是调用stream()方法来启动流式处理，java8还提供了parallelStream()来启动并行流式处理，parallelStream()本质上基于java7的Fork-Join框架实现，其默认的线程数为宿主机的内核数。

启动并行流式处理虽然简单，只需要将stream()替换成parallelStream()即可，但既然是并行，就会涉及到多线程安全问题，所以在启用之前要先确认并行是否值得（并行的效率不一定高于顺序执行），另外就是要保证线程安全。此两项无法保证，那么并行毫无意义，毕竟结果比速度更加重要。

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