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Java8 Stream流編程

2020-10-11 01:21:26 後端開發

Java8 流式編程

流是一系列與特定存盤機制無關的元素——實際上，流并沒有“存盤”之說，

使用流，無需迭代集合中的元素，就可以提取/操作特定的元素

假設我要生成一個隨機序列，范圍在5到100之間，不重復，隨機生成7個數字，而且要排序，最后輸出序列，可以這么做：

public static void main(String[] args) {
    new Random(47)  // 種子
        .ints(5, 100)
        .distinct()
        .limit(7)
        .sorted()
        .forEach(System.out::println);
}

整個程序是一個作業流，它不需要單獨提取出這個序列在進行操作，

如果要實作剛剛的功能，而不使用流，就可能會是這樣子：

public static void main(String[] args) {
    Random random = new Random(47);
    SortedSet<Integer> set = new TreeSet<>();
    while (set.size() < 7){
        int r = random.nextInt(100);
        if(r >= 5){
            set.add(r);
        }
    }
    System.out.println(set);
}

流操作的型別有三種：

  • 創建流
  • 修改流元素
  • 消費流元素（終端操作，列印/收集元素等等）
    • .forEach()
    • .sum()

創建流

可以用Steam.of將物件陣列/一組元素轉換為 流

String[] arr = {"C++ ", "Python ", "Java"};
Stream.of(arr).forEach(System.out::print);
Stream.of("C++ ", "Python ", "Java ").forEach(System.out::print);

每個集合也可以用.stream()來產生一個流

List<String> strList = Arrays.asList("C++ ", "Python ", "Java ");
strList.stream().forEach(System.out::print);

// C++ Python Java

對于原始資料型別的陣列/串列，可以用Arrays.stream()

  • 如果用Steam.of()，輸出的是一個地址
int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
Arrays.stream(arr).forEach(System.out::println);    // 輸出元素1 2 3 4 ...
Stream.of(arr).forEach(System.out::println);        // 輸出地址 [I@214c265e

創建亂數流

生成4個隨機整數，輸出

  • ints(n)：控制流的大小為4，生成4個整數，回傳一個IntStream
  • forEach(System.out::println)：列印每個元素
Random random = new Random(47);	// 47是引數，種子
random.ints(4).forEach(System.out::println);

生成5個隨機整數，只取前3個整數

Random random = new Random();
random.ints(5).limit(3).forEach(System.out::println);

創建6個隨機整數，范圍在10~20之間

  • ints(m,n)：生成[m,n)之間的整數，回傳一個IntStream
  • 用了ints(m,n)的方法，要加limit()，不然就是無限回圈
Random random = new Random();
random.ints(10,20).limit(6).forEach(System.out::println);

也可以用init(streamSize,numberOrigin,numberBound)來創建：

  • 第一個引數是流的大小，第二第三個引數是表示亂數的范圍
  • 下面這段代碼就是：生成6個隨機整數，范圍在10~20之間
Random random = new Random();
random.ints(6,10,20).forEach(System.out::println);

創建整形序列流

假設我要創建一個[1,100]的連續序列，求它的和，可以用 IntStream 提供的 range(m,n)方法

public static void main(String[] args) {
    // 1-100的序列陣列
    int[] intsArr = IntStream.range(1, 101).toArray();
    int sum = Arrays.stream(intsArr).sum();
    System.out.println(sum);
}

可以寫的再簡單一點：

public static void main(String[] args) {
    // 1-100的序列陣列
    int sum = IntStream.range(1, 101).sum();
    System.out.println(sum);
}

對比傳統的方法，就會覺得用 流 會方便很多：

// 傳統方法
public static void main(String[] args) {
    int sum = 0;
    for(int i = 1; i <= 100;++i){
        sum += i;
    }
    System.out.println(sum);
}

使用Stream.generate()創建

Stream.generate() 回傳無限流，我們可以自定義生成的元素

生成5個隨機整數

Stream.generate(() -> {
    return new Random().nextInt();
}).limit(5).forEach(System.out::println);

也可以簡寫成：

Stream.generate(new Random()::nextInt).limit(5).forEach(System.out::println);

使用Stream.iterate()創建

方法原型：

public static<T> Stream<T> iterate(final T seed, final UnaryOperator<T> f) {
	// ...   
}

第一個引數：種子

第二個引數：方法（lambda運算式）

將 種子 傳遞給 方法，方法的運行結果 作為流的下一個元素，添加到流中，存盤起來，作為下次呼叫iterate()的第二個引數

用iterate()生成斐波那契數列

iterate()只記憶結果

public class Generator {
    private int x = 0;
    Stream<Integer> numbers(){
        return Stream.iterate(1,(i)->{
            int res = x + i;
            x = i;
            return res;
        });
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 生成前10項
        new Generator().numbers().limit(10).forEach(System.out::println);
        
        // 生成第10到20項
        new Generator()
            .numbers()
            .skip(10)	// 過濾前10個
            .limit(10)	// 然后取10個
            .forEach(System.out::println);
    }
}

Arrays.stream() 和 Stream.of()

Arrays 類中含有一個名為 stream() 的靜態方法用于把 int/long/double陣列 轉換成為流，

int、double、long等基本型別的陣列，用 Arrays.stream(陣列名) 進行流的操作

如果是String（String是一個物件），可以用 Stream.of(物件陣列名) 進行流的操作

Stream.of() 和 Arrays.stream() 是有區別的：

  • 如果是基本型別的物件陣列（如Integer、Long），兩個方法是一樣的結果
Integer[] intArr = {1, 2, 3, 4};
Arrays.stream(intArr).forEach(System.out::print);	// 1234
Stream.of(intArr).forEach(System.out::print);		// 1234
  • 如果是基本型別的陣列（如int、long），兩個方法回傳的結果不一樣
int[] intArr = {1, 2, 3, 4};
Arrays.stream(intArr).forEach(System.out::print);	// 1234
Stream.of(intArr).forEach(System.out::print);		// [I@214c265e

這是因為int[]傳入Stream.of()會被當作一個物件，而傳入Arrays.stream()會被當成一個陣列

流的中間操作

什么是流的中間操作？就是修改流中的元素，回傳一個修改后的Stream，

一個流創建之后有6個元素，我跳過前3個，只取最后3個，那中間操作就是 “跳過前三個”

peek() 跟蹤和除錯

peek() 的目的是：無修改的查看流中的元素

peek()引數可接收lambda運算式

當流中的一個元素通過管道的時候，就會呼叫一次peek()

例1

public static void main(String[] args) {
    String[] str = {"java ", "c++  ", "php  ", "dart "};
    Stream.of(str)
        .skip(1)
        .peek(System.out::print)	// 輸出當前流的情況
        .map(s -> "第1次變化：" + s)	// 映射，修改str中字串的值
        .peek(System.out::print)
        .forEach(System.out::println);
}

例1-輸出結果：

c++  第1次變化：c++  第1次變化：c++  
php  第1次變化：php  第1次變化：php  
dart 第1次變化：dart 第1次變化：dart

例2

public static void main(String[] args) {
    String[] str = {"java ", "c++  ", "php  ", "dart "};
    Stream.of(str)
        .skip(1)
        .peek(System.out::print)
        .map(String::toUpperCase)	// 映射，將流中的元素全轉成大寫
        .forEach(System.out::print);
}

例2-輸出結果

c++  C++  php  PHP  dart DART

sorted() 排序

sorted()接收一個lambda運算式，也可以接收一個 比較器（sorted()預設了一些默認的比較器）

基本型別陣列排序

我查了資料，發現 基本型別的陣列的sorted()不能傳比較器，它們的包裝類就可以

public static void main(String[] args) {
    // 基本型別陣列
    int[] arr = {1, 18, 12, 16, 4};
    // 默認正序
    Arrays.stream(arr).sorted().forEach(System.out::println);	// 1 4 12 16 18
}

物件/包裝類陣列排序

public static void main(String[] args) {
    // Integer型別陣列
    Integer[] integerArr = {1, 18, 12, 16, 4};
    // 正序
    Arrays.stream(integerArr).sorted().forEach(System.out::println);	// 1 4 12 16 18
    // 逆序
    Arrays.stream(arr).sorted(Comparator.reverseOrder()).forEach(System.out::println);	// 18 16 12 4 1
}

集合排序

public static void main(String[] args) {   
    // List 集合
    List<Integer> list = new LinkedList<>(Arrays.asList(1,18,12,16,4));
    // 正序
    list.stream().sorted().forEach(System.out::println);	// 1 4 12 16 18
    // 逆序
    list.stream().sorted(Comparator.reverseOrder()).forEach(System.out::println);	// 18 16 12 4 1
}

distinct() 去重

消除流中重復的元素

public static void main(String[] args) {
    // 陣列
    Integer[] arr = {1, 1, 1, 2, 2};
    Arrays.stream(arr).distinct().forEach(System.out::println);	// 1 2
}

filter(Predicate) 過濾器

filter()接收到引數是一個函式，如果函式回傳 true，則保留這些元素，回傳false 則洗掉這些元素

假定有一個陣列，保留其中的奇數：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 陣列
        Integer[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
        Arrays.stream(arr).filter(Main::Odd).forEach(System.out::println); // 1 3 5 7
    }

    // 奇數回傳true
    public static Boolean Odd(int number) {
        return number % 2 == 1;
    }
}

同樣的，filter()也接收正則運算式

public static void main(String[] args) {
    // 陣列
    Integer[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
    Arrays.stream(arr).filter(num -> num % 2 == 1).forEach(System.out::println);
}

map()相關 - 映射到元素

  • map(Function)：將函式操作應用在輸入流的元素中，并將回傳值傳遞到輸出流中，
  • mapToInt(ToIntFunction)：操作同上，但結果是 IntStream，
  • mapToLong(ToLongFunction)：操作同上，但結果是 LongStream，
  • mapToDouble(ToDoubleFunction)：操作同上，但結果是 DoubleStream，
public static void main(String[] args) {
    // 陣列
    Integer[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
    Arrays.stream(arr)
        .map(s -> s * 3)    // 每個元素 × 3
        .forEach(System.out::println);	// 2 4 9 16 10 12 14

}

skip(long n) 跳過前n個元素

skip(long n)可以省略流的前n個元素

public static void main(String[] args) {
    int[] arr= {1,2,3,4,5};
    // 省略前 3 個
    Arrays.stream(arr).skip(3).forEach(System.out::println);	// 4 5

}

limit(long n) 保留前n個元素

limit(long n) 可以保留前n個元素，其他的不要

public static void main(String[] args) {
    int[] arr= {1,2,3,4,5};
    // 保留前 3 個
    Arrays.stream(arr).limit(3).forEach(System.out::println);	// 1 2 3

}

parallel() 流的并行處理

parallel() 可實作多處理器并行操作，實作原理為將流分割為多個（通常數目為 CPU 核心數）并在不同處理器上分別執行操作，

使用場景（前提是確保執行緒的安全）：

  • 將檔案下載，保存到服務器
  • 遍歷

假設這樣一個場景：有一個商品的分類ld，要根據分類Id，去資料庫找具體的資訊（IO操作）

傳統的遍歷

  • 運行時間：732毫秒
public static void main(String[] args) {
    List<Category> list = getCategoryIdList();    // 獲取商品分類的Id
    
	// 普通的遍歷
    long start = System.currentTimeMillis();

    for (Category category : list) {
        System.out.println(getById(category.id));
    }
    long end = System.currentTimeMillis();
    System.out.println("普通遍歷 運行時間：" + (end - start) + "毫秒");
}

image-20200823230332170

使用 parallel()遍歷

  • 遍歷的結果是無序的

  • 運行時間：607毫秒

    public static void main(String[] args) {
        List<Category> list = getCategoryIdList();    // 獲取商品分類的Id

        // 并行遍歷
        long start = System.currentTimeMillis();
        
        list.stream().parallel().forEach(category -> {
            // IO 操作
            System.out.println(getById(category.id));	// 根據分類Id，查詢具體資訊
        });
        
        long end = System.currentTimeMillis();
        
        System.out.println("parallel() 運行時間：" + (end - start) + "毫秒");

    }

image-20200823230457355

使用 Java8 的 parallel 可以加快某些操作的速度，但如果是一些簡單的操作，那就得不償失了

此外，parallel() 遍歷的結果是無序的

流的終端操作

終端操作：獲取流的最終結果，無法再往后傳遞流，比如列印、獲取集合、查找，都算是終端操作

回傳 Optional 物件

Optional 類 隱藏了可能存在空指標的不確定性

一些終端操作，會回傳一個Optional 物件，因為這些操作，不能保證預期結果一定存在，也就是隱藏了空指標的資訊，如果流是空的，那就會回傳Option.empty

  • findFirst() 回傳一個包含第一個元素的 Optional 物件，如果流為空則回傳 Optional.empty

  • findAny() 回傳包含任意元素的 Optional 物件，如果流為空則回傳 Optional.empty

  • max() 和 min() 回傳一個包含最大值或者最小值的 Optional 物件，如果流為空則回傳 Optional.empty

    reduce() 不再以 identity 形式開頭，而是將其回傳值包裝在 Optional 中，

    （identity 物件成為其他形式的 reduce() 的默認結果，因此不存在空結果的風險）

findFirst()

public static void main(String[] args) {
    String [] str1 = {"java","python","c++"};
    String [] str2 = {};

    System.out.println(Stream.of(str1).findFirst());	// Optional[java]
    System.out.println(Stream.of(str2).findFirst());	// Optional.empty

}

findAny()

public static void main(String[] args) {
    String [] str1 = {"java","python","c++"};
    String [] str2 = {};

    System.out.println(Stream.of(str1).findAny());	// Optional[java]
    System.out.println(Stream.of(str2).findAny());	// Optional.empty

}

max() 和 min()

public static void main(String[] args) {
    Integer[] arr1 = {1, 2, 3, 4, 5};
    Integer[] arr2 = {};

    System.out.println(Stream.of(arr1).max(Integer::compareTo));	// Optional[5]
    System.out.println(Stream.of(arr1).min(Integer::compareTo));	// Optional[5]
    
    System.out.println(Stream.of(arr2).min(Integer::compareTo));	// Optional.empty
    System.out.println(Stream.of(arr2).max(Integer::compareTo));	// Optional.empty

}

解包 Optional：

  • isPresent()：判斷 Optional 物件中是否包含元素
  • ifPresent(Consumer)：如果 Optional物件中包含元素，就呼叫 Consumer方法（lambda運算式）
  • get()：獲取 Optional物件的 元素
  • orElse(otherObject)：如果值存在則直接回傳，否則生成 otherObject，
  • orElseGet(Supplier)：如果值存在則直接回傳，否則使用 Supplier 函式生成一個可替代物件，
  • orElseThrow(Supplier)：如果值存在直接回傳，否則使用 Supplier 函式生成一個例外，

toArray() 回傳陣列

  • toArray()：將流按照陣列回傳

  • toArray(T[] a)：生成自定義型別的陣列

生成隨機整型陣列：

public static void main(String[] args) {
    int[] arr = new Random().ints(5).toArray();	// 生成生成5個int型，轉換為int陣列
}

用toArray(T[] a)將集合轉成陣列

    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new LinkedList<>();
        list.add("java ");
        list.add("python");

        String[] str = (String[]) list.toArray(new String[0]);

        Stream.of(str).forEach(System.out::print);	// java python
    }

forEach() 遍歷

  • forEach(Consumer)常見如 System.out::println 作為 Consumer 函式，

  • forEachOrdered(Consumer)： 保證 forEach 按照原始流順序操作，（parallel()操作之后是無序的，用這個可以強制保持原始流的順序）

兩個函式都接收lambda運算式

使用forEach遍歷陣列：

Integer[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
// 接收lambda運算式
// i 就是陣列中的元素
Arrays.stream(arr).forEach(i -> {
    // do something...
});

傳統方法遍歷陣列：

Integer[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
for(Integer i : arr){
    // do something...
}

collect() 回傳集合

  • collect(Collector)：使用 Collector 收集流元素到結果集合中，

  • collect(Supplier, BiConsumer, BiConsumer)：同上，第一個引數 Supplier 創建了一個新的結果集合，第二個引數 BiConsumer 將下一個元素收集到結果集合中，第三個引數 BiConsumer 用于將兩個結果集合合并起來，

生成亂數，保存到 LinkedList中

public static void main(String[] args) {
    LinkedList<Integer> list = new Random(47)
        .ints(10)
        .collect(LinkedList::new, LinkedList::add, LinkedList::addAll);
    	
    
    for (Integer integer : list) {
        System.out.print(integer+ " ");
    }
}

reduce() 組合

使用reduce() 組合所有流中的元素

  • reduce(BinaryOperator)：使用 BinaryOperator 來組合所有流中的元素，因為流可能為空，其回傳值為 Optional，

  • reduce(identity, BinaryOperator)：功能同上，但是使用 identity 作為其組合的初始值，因此如果流為空，identity 就是結果，

  • reduce(identity, BiFunction, BinaryOperator)：更復雜的使用形式

    • identity：組合函式的標識值，累加器的初始值，

    • BiFunction：累加器，一個函式，用于將額外的元素合并到結果中

    • BinaryOperator：用于組合兩個值的關聯、不干擾、無狀態函式，必須與累加器函式兼容

      只有在并行流中才會執行

使用Stream.reduce()合并流的元素，并產生單個值

  • 傳統方法使用for回圈求和

    public static void main(String[] args) {
    int[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    int sum = 0;
    for(int i : numbers){
        sum += i;
    }
    System.out.println(sum); // 55

}

  • 使用reduce() 求和

    public static void main(String[] args) {
    int[] numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    int sum = Arrays.stream(numbers).reduce(0, (a, b) -> a + b);
    System.out.println(sum);
}

    累加器的初始值設定為0，(a,b)-> a+b是累加器，結果保存到第一個引數中

count() 統計

統計流中的個數，回傳值是long型別

String[] arr = {"123", "456", "789"};
long cnt = Stream.of(arr).count();
System.out.println(cnt);  // 3

max() 和 min() 最大數值

  • max() 和 min()：數值流操作無需 Comparator，回傳一個Optional物件

陣列最大值、最小值

public static void main(String[] args) {
    int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    System.out.println(Arrays.stream(arr).max()); 				// OptionalInt[10]
    System.out.println(Arrays.stream(arr).max().getAsInt());	// 10

    
    System.out.println(Arrays.stream(arr).min());				 // OptionalInt[1]
    System.out.println(Arrays.stream(arr).min().getAsInt());	// 1

}

max(Comparator) 和 min(Comparator)

  • max(Comparator)：根據所傳入的 Comparator 所決定的“最大”元素，
  • min(Comparator)：根據所傳入的 Comparator 所決定的“最小”元素，
  • 回傳的都是Optional物件
    public static void main(String[] args) {
        String[] str = {"java","c++","python"};
        System.out.println(Arrays.stream(str).max(String::compareTo));  // Optional[python]
        System.out.println(Arrays.stream(str).max(String::compareTo).get());	// python
    }

sum() 求和

求流元素的和

public static void main(String[] args) {
    int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    int sum = Arrays.stream(arr).sum();
    System.out.println(sum);		// 55
}

average() 平均值

求流元素的平均值，回傳一個OptionalDouble物件

public static void main(String[] args) {
    int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    OptionalDouble average = Arrays.stream(arr).average();
    System.out.println(average);				// OptionalDouble[5.5]
    System.out.println(average.getAsDouble());	// 5.5
}

匹配

  • allMatch(Predicate) ：如果流的每個元素提供給 Predicate 都回傳 true ，結果回傳為 true，在第一個 false 時，則停止執行計算，
  • anyMatch(Predicate)：如果流的任意一個元素提供給 Predicate 回傳 true ，結果回傳為 true，在第一個 true 時停止執行計算，
  • noneMatch(Predicate)：如果流的每個元素提供給 Predicate 都回傳 false 時，結果回傳為 true，在第一個 true 時停止執行計算，

說簡單，就是傳一個lambda運算式，然后回傳布林值

判斷陣列中是否全都為奇數

public static void main(String[] args) {
    int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    // 判斷所有元素是否都為奇數
    boolean flag = Arrays.stream(arr).allMatch(i -> i % 2 == 1);
    System.out.println(flag);
}

查找

  • findFirst()：回傳第一個流元素的 Optional，如果流為慷訓傳 Optional.empty，
  • findAny(：回傳含有任意流元素的 Optional，如果流為慷訓傳 Optional.empty，
public static void main(String[] args) {
    String[] str = {"java","c++","python"};
    System.out.println(Arrays.stream(str).findFirst());			// Optional[java]
    System.out.println(Arrays.stream(str).findFirst().get());	// Java
}

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