JavaSE-Stream流、方法引用

2019-12-10 本文已影响0人雷哒哒

[TOC]

第一章：Stream流

说到Stream便容易想到I/O Stream，而实际上，谁规定“流”就一定是“IO流”呢？在Java 8中，得益于Lambda所带来的函数式编程，引入了一个全新的Stream概念，用于解决已有集合类库既有的弊端。

1.1 引言

传统集合的多步遍历代码

几乎所有的集合（如 Collection 接口或 Map 接口等）都支持直接或间接的遍历操作。而当我们需要对集合中的元素进行操作的时候，除了必需的添加、删除、获取外，最典型的就是集合遍历。例如：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Demo01ForEach {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("张无忌");
        list.add("周芷若");
        list.add("赵敏");
        list.add("张强");
        list.add("张三丰");
        for (String name : list) {
        System.out.println(name);
        }
    }
}

这是一段非常简单的集合遍历操作：对集合中的每一个字符串都进行打印输出操作。

循环遍历的弊端

Java 8的Lambda让我们可以更加专注于做什么（What），而不是怎么做（How）。现在，我们仔细体会一下上例代码，可以发现：

for循环的语法就是“怎么做”
for循环的循环体才是“做什么”

为什么使用循环？因为要进行遍历。但循环是遍历的唯一方式吗？遍历是指每一个元素逐一进行处理，而并不是从第一个到最后一个顺次处理的循环。前者是目的，后者是方式。

试想一下，如果希望对集合中的元素进行筛选过滤：

将集合A根据条件一过滤为子集B；
然后再根据条件二过滤为子集C。

那怎么办？在Java 8之前的做法可能为：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Demo02NormalFilter {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("张无忌");
        list.add("周芷若");
        list.add("赵敏");
        list.add("张强");
        list.add("张三丰");
        List<String> zhangList = new ArrayList<>();
        for (String name : list) {
            if (name.startsWith("张")) {
                zhangList.add(name);
            }
        }
        List<String> shortList = new ArrayList<>();
        for (String name : zhangList) {
            if (name.length() == 3) {
            shortList.add(name);
            }
        }
        for (String name : shortList) {
            System.out.println(name);
        }
    }
}

这段代码中含有三个循环，每一个作用不同：

首先筛选所有姓张的人；
然后筛选名字有三个字的人；
最后进行对结果进行打印输出。

每当我们需要对集合中的元素进行操作的时候，总是需要进行循环、循环、再循环。这是理所当然的么？不是。循环是做事情的方式，而不是目的。另一方面，使用线性循环就意味着只能遍历一次。如果希望再次遍历，只能再使用另一个循环从头开始。那，Lambda的衍生物Stream能给我们带来怎样更加优雅的写法呢？

Stream的更优写法

下面来看一下借助Java 8的Stream API，什么才叫优雅：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Demo03StreamFilter {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("张无忌");
        list.add("周芷若");
        list.add("赵敏");
        list.add("张强");
        list.add("张三丰");
        list.stream()
        .filter(s ‐> s.startsWith("张"))
        .filter(s ‐> s.length() == 3)
        .forEach(System.out::println);
    }
}

直接阅读代码的字面意思即可完美展示无关逻辑方式的语义：获取流、过滤姓张、过滤长度为3、逐一打印。代码中并没有体现使用线性循环或是其他任何算法进行遍历，我们真正要做的事情内容被更好地体现在代码中。

1.2 流式思想

注意：请暂时忘记对传统IO流的固有印象！

整体来看，流式思想类似于工厂车间的“生产流水线”。

当需要对多个元素进行操作（特别是多步操作）的时候，考虑到性能及便利性，我们应该首先拼好一个“模型”步骤方案，然后再按照方案去执行它。

这张图中展示了过滤、映射、跳过、计数等多步操作，这是一种集合元素的处理方案，而方案就是一种“函数模型”。图中的每一个方框都是一个“流”，调用指定的方法，可以从一个流模型转换为另一个流模型。而最右侧的数字 3是最终结果。

这里的 filter 、 map 、 skip 都是在对函数模型进行操作，集合元素并没有真正被处理。只有当终结方法 count 执行的时候，整个模型才会按照指定策略执行操作。而这得益于Lambda的延迟执行特性。

“Stream流”其实是一个集合元素的函数模型，它并不是集合，也不是数据结构，其本身并不存储任何元素（或其地址值）。

Stream（流）是一个来自数据源的元素队列元素是特定类型的对象，形成一个队列。 Java中的Stream并不会存储元素，而是按需计算。数据源流的来源。可以是集合，数组等。

和以前的Collection操作不同， Stream操作还有两个基础的特征：

Pipelining: 中间操作都会返回流对象本身。这样多个操作可以串联成一个管道，如同流式风格（fluent style）。这样做可以对操作进行优化，比如延迟执行(laziness)和短路( short-circuiting)。
内部迭代：以前对集合遍历都是通过Iterator或者增强for的方式, 显式的在集合外部进行迭代，这叫做外部迭代。 Stream提供了内部迭代的方式，流可以直接调用遍历方法。

当使用一个流的时候，通常包括三个基本步骤：获取一个数据源（source）→ 数据转换→执行操作获取想要的结果，每次转换原有 Stream 对象不改变，返回一个新的 Stream 对象（可以有多次转换），这就允许对其操作可以像链条一样排列，变成一个管道。

1.3 获取流

java.util.stream.Stream 是Java 8新加入的最常用的流接口。（这并不是一个函数式接口。）

获取一个流非常简单，有以下几种常用的方式：

所有的 Collection 集合都可以通过 stream 默认方法获取流；
Stream 接口的静态方法 of 可以获取数组对应的流。

根据Collection获取流

首先，java.util.Collection 接口中加入了default方法 stream 用来获取流，所以其所有实现类均可获取流。

import java.util.*;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo04GetStream {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        // ...
        Stream<String> stream1 = list.stream();
        Set<String> set = new HashSet<>();
        // ...
        Stream<String> stream2 = set.stream();
        Vector<String> vector = new Vector<>();
        // ...
        Stream<String> stream3 = vector.stream();
    }
}

根据Map获取流

java.util.Map 接口不是 Collection 的子接口，且其K-V数据结构不符合流元素的单一特征，所以获取对应的流需要分key、value或entry等情况：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo05GetStream {
    public static void main(String[] args) {
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        // ...
        Stream<String> keyStream = map.keySet().stream();
        Stream<String> valueStream = map.values().stream();
        Stream<Map.Entry<String, String>> entryStream = map.entrySet().stream();
    }
}

根据数组获取流

如果使用的不是集合或映射而是数组，由于数组对象不可能添加默认方法，所以 Stream 接口中提供了静态方法 of ，使用很简单：

import java.util.stream.Stream;
public class Demo06GetStream {
    public static void main(String[] args) {
        String[] array = { "张无忌", "张翠山", "张三丰", "张一元" };
        Stream<String> stream = Stream.of(array);
    }
}

of 方法的参数其实是一个可变参数，所以支持数组。

1.4 常用方法

流模型的操作很丰富，这里介绍一些常用的API。这些方法可以被分成两种：

延迟方法：返回值类型仍然是 Stream 接口自身类型的方法，因此支持链式调用。（除了终结方法外，其余方法均为延迟方法。）

终结方法：返回值类型不再是 Stream 接口自身类型的方法，因此不再支持类似 StringBuilder 那样的链式调用。本小节中，终结方法包括 count 和 forEach 方法。

逐一处理：forEach

虽然方法名字叫 forEach ，但是与for循环中的“for-each”昵称不同。

void forEach(Consumer<? super T> action);

该方法接收一个 Consumer 接口函数，会将每一个流元素交给该函数进行处理。

java.util.function.Consumer<T>接口是一个消费型接口。
Consumer接口中包含抽象方法void accept(T t)，意为消费一个指定泛型的数据。

基本使用

public class Test01 {
  public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("张三");
    list.add("李四");
    list.add("王五");
    list.stream().forEach(name-> System.out.println(name));
  }
}

过滤：filter

可以通过 filter 方法将一个流转换成另一个子集流。方法签名：

Stream<T> filter(Predicate<? super T> predicate);

该接口接收一个 Predicate 函数式接口参数（可以是一个Lambda或方法引用）作为筛选条件。

复习Predicate接口

java.util.stream.Predicate函数式接口，其中唯一的抽象方法为：

boolean test(T t);

该方法将会产生一个boolean值结果，代表指定的条件是否满足。如果结果为true，那么Stream流的 filter 方法将会留用元素；如果结果为false，那么 filter 方法将会舍弃元素。

基本使用

Stream流中的 filter 方法基本使用的代码如：

public class Test02 {
  public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("张三");
    list.add("李四");
    list.add("张三丰");
    list.add("王五");
    list.add("张无忌");
    list.stream()
            .filter(name->name.startsWith("张"))
            .forEach(name-> System.out.println(name));
  }
}

在这里通过Lambda表达式来指定了筛选的条件：必须姓张。

映射：map

如果需要将流中的元素映射到另一个流中，可以使用 map 方法。方法签名：

<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);

该接口需要一个 Function 函数式接口参数，可以将当前流中的T类型数据转换为另一种R类型的流。

复习Function接口

此前我们已经学习过 java.util.stream.Function 函数式接口，其中唯一的抽象方法为：

R apply(T t);

这可以将一种T类型转换成为R类型，而这种转换的动作，就称为“映射”

基本使用

public class Test03 {
  public static void main(String[] args) {
    String[]strs = {"11","22","33","44"};
    Stream.of(strs)
            .map((s -> Integer.parseInt(s)))
            .forEach(i-> System.out.println(i+2));
  }
}

这段代码中， map 方法的参数通过方法引用，将字符串类型转换成为了int类型（并自动装箱为 Integer 类对象）。

统计个数：count

正如旧集合 Collection 当中的 size 方法一样，流提供 count 方法来数一数其中的元素个数：

long count();

该方法返回一个long值代表元素个数（不再像旧集合那样是int值）。基本使用：

  public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("张三");
    list.add("李四");
    list.add("张三丰");
    list.add("王五");
    list.add("张无忌");
    long i = list.stream()
            .filter(name->name.startsWith("张"))
            .count();
    System.out.println(i);//3
  }

取用前几个：limit

limit 方法可以对流进行截取，只取用前n个。方法签名：

Stream<T> limit(long maxSize);

参数是一个long型，如果集合当前长度大于参数则进行截取；否则不进行操作。基本使用：

public class Test06 {
  public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("张三");
    list.add("李四");
    list.add("张三丰");
    list.add("王五");
    list.add("张无忌");
    list.stream()
            .filter(name->name.startsWith("张"))
            .limit(2)
            .forEach(name-> System.out.println(name));
  }
}
// 结果-张三、张三丰

跳过前几个：skip

如果希望跳过前几个元素，可以使用 skip 方法获取一个截取之后的新流：

Stream<T> skip(long n);

如果流的当前长度大于n，则跳过前n个；否则将会得到一个长度为0的空流。基本使用：

public class Test07 {
  public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("张三");
    list.add("李四");
    list.add("张三丰");
    list.add("王五");
    list.add("张无忌");
    list.stream()
            .filter(name->name.startsWith("张"))
            .skip(2)
            .forEach(name-> System.out.println(name));
  }
}
// 结果：张无忌

组合：concat

如果有两个流，希望合并成为一个流，那么可以使用 Stream 接口的静态方法 concat ：

static <T> Stream<T> concat(Stream<? extends T> a, Stream<? extends T> b)

这是一个静态方法，与 java.lang.String 当中的 concat 方法是不同的。

该方法的基本使用代码如：

public class Test08 {
  public static void main(String[] args) {
    Stream<String>  s1 = Stream.of("张三","李四");
    Stream<String>  s2 = Stream.of("王五","赵六");
    Stream.concat(s1,s2).forEach(name-> System.out.println(name));
  }
}
// 结果：张三、李四、王五、赵六

第二章：方法引用

在使用Lambda表达式的时候，我们实际上传递进去的代码就是一种解决方案：拿什么参数做什么操作。那么考虑一种情况：如果我们在Lambda中所指定的操作方案，已经有地方存在相同方案，那是否还有必要再写重复逻辑？

2.1 冗余的Lambda场景

来看一个简单的函数式接口以应用Lambda表达式：

@FunctionalInterface
public interface Printable {
    void print(String str);
}

在 Printable 接口当中唯一的抽象方法 print 接收一个字符串参数，目的就是为了打印显示它。那么通过Lambda 来使用它的代码很简单：

public class Demo01PrintSimple {
    private static void printString(Printable data) {
     data.print("Hello, World!");
    }
    public static void main(String[] args) {
     printString(s ‐> System.out.println(s));
    }
}

其中 printString 方法只管调用 Printable 接口的 print 方法，而并不管 print 方法的具体实现逻辑会将字符串打印到什么地方去。而 main 方法通过Lambda表达式指定了函数式接口 Printable 的具体操作方案为：拿到 String（类型可推导，所以可省略）数据后，在控制台中输出它。

2.2 问题分析

这段代码的问题在于，对字符串进行控制台打印输出的操作方案，明明已经有了现成的实现，那就是 System.out 对象中的 println(String) 方法。既然Lambda希望做的事情就是调用 println(String) 方法，那何必自己手动调用呢？

2.3 用方法引用改进代码

能否省去Lambda的语法格式（尽管它已经相当简洁）呢？只要“引用”过去就好了：

public class Demo02PrintRef {
    private static void printString(Printable data) {
        data.print("Hello, World!");
    }
    public static void main(String[] args) {
        printString(System.out::println);
    }
}

请注意其中的双冒号 :: 写法，这被称为“方法引用”，而双冒号是一种新的语法。

2.4方法引用符

双冒号 :: 为引用运算符，而它所在的表达式被称为方法引用。如果Lambda要表达的函数方案已经存在于某个方法的实现中，那么则可以通过双冒号来引用该方法作为Lambda的替代者。

语义分析

例如上例中， System.out 对象中有一个重载的 println(String) 方法恰好就是我们所需要的。那么对于 printString 方法的函数式接口参数，对比下面两种写法，完全等效：

Lambda表达式写法： s -> System.out.println(s);
方法引用写法： System.out::println

第一种语义是指：拿到参数之后经Lambda之手，继而传递给 System.out.println 方法去处理。第二种等效写法的语义是指：直接让 System.out 中的 println 方法来取代Lambda。两种写法的执行效果完全一样，而第二种方法引用的写法复用了已有方案，更加简洁。

注:Lambda 中传递的参数一定是方法引用中的那个方法可以接收的类型,否则会抛出异常

推导与省略

如果使用Lambda，那么根据“可推导就是可省略”的原则，无需指定参数类型，也无需指定的重载形式——它们都将被自动推导。而如果使用方法引用，也是同样可以根据上下文进行推导。函数式接口是Lambda的基础，而方法引用是Lambda的孪生兄弟。

下面这段代码将会调用 println 方法的不同重载形式，将函数式接口改为int类型的参数：

@FunctionalInterface
public interface PrintableInteger {
    void print(int str);
}

由于上下文变了之后可以自动推导出唯一对应的匹配重载，所以方法引用没有任何变化：

public class Demo03PrintOverload {
    private static void printInteger(PrintableInteger data) {
        data.print(1024);
    }
    public static void main(String[] args) {
        printInteger(System.out::println);
    }
}

这次方法引用将会自动匹配到 println(int) 的重载形式。

2.5 通过对象名引用成员方法

这是最常见的一种用法，与上例相同。如果一个类中已经存在了一个成员方法：

public class MethodRefObject {
    public void printUpperCase(String str) {
        System.out.println(str.toUpperCase());
    }
}

函数式接口仍然定义为：

@FunctionalInterface
public interface Printable {
    void print(String str);
}

那么当需要使用这个 printUpperCase 成员方法来替代 Printable 接口的Lambda的时候，已经具有了 MethodRefObject 类的对象实例，则可以通过对象名引用成员方法，代码为

public class Demo04MethodRef {
    private static void printString(Printable lambda) {
     lambda.print("Hello");
    }
    public static void main(String[] args) {
        MethodRefObject obj = new MethodRefObject();
        printString(obj::printUpperCase);
    }
}

2.6 通过类名称引用静态方法

由于在 java.lang.Math 类中已经存在了静态方法 abs ，所以当我们需要通过Lambda来调用该方法时，有两种写法。首先是函数式接口：

@FunctionalInterface
public interface Calcable {
    int calc(int num);
}

第一种写法是使用Lambda表达式：

public class Demo05Lambda {
    private static void method(int num, Calcable lambda) {
      System.out.println(lambda.calc(num));
    }
    public static void main(String[] args) {
     method(‐10, n ‐> Math.abs(n));
    }
}

但是使用方法引用的更好写法是：

public class Demo06MethodRef {
    private static void method(int num, Calcable lambda) {
      System.out.println(lambda.calc(num));
    }
    public static void main(String[] args) {
      method(‐10, Math::abs);
    }
}

在这个例子中，下面两种写法是等效的：

Lambda表达式： n -> Math.abs(n)

方法引用： Math::abs

2.7通过super引用成员方法

如果存在继承关系，当Lambda中需要出现super调用时，也可以使用方法引用进行替代。首先是函数式接口：

@FunctionalInterface
public interface Greetable {
    void greet();
}

然后是父类 Human 的内容：

public class Human {
    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello!");
    }
}

最后是子类 Man 的内容，其中使用了Lambda的写法：

public class Man extends Human {
    @Override
    public void sayHello() {
     System.out.println("大家好,我是Man!");
    }
    //定义方法method,参数传递Greetable接口
    public void method(Greetable g){
     g.greet();
    }
    public void show(){
        //调用method方法,使用Lambda表达式
        method(()‐>{
        //创建Human对象,调用sayHello方法
        new Human().sayHello();
        });
        //简化Lambda
        method(()‐>new Human().sayHello());
        //使用super关键字代替父类对象
        method(()‐>super.sayHello());
    }
}

但是如果使用方法引用来调用父类中的 sayHello 方法会更好，例如另一个子类 Woman ：

public class Man extends Human {
    @Override
    public void sayHello() {
        System.out.println("大家好,我是Man!");
    }
    //定义方法method,参数传递Greetable接口
    public void method(Greetable g){
     g.greet();
    }
    public void show(){
     method(super::sayHello);
    }
}

在这个例子中，下面两种写法是等效的：

Lambda表达式： () -> super.sayHello()
方法引用： super::sayHello

2.8 通过this引用成员方法

this代表当前对象，如果需要引用的方法就是当前类中的成员方法，那么可以使用“this::成员方法”的格式来使用方法引用。首先是简单的函数式接口：

@FunctionalInterface
public interface Richable {
    void buy();
}

下面是一个丈夫 Husband 类：

public class Husband {
    private void marry(Richable lambda) {
        lambda.buy();
    }
    public void beHappy() {
        marry(() ‐> System.out.println("买套房子"));
    }
}

开心方法 beHappy 调用了结婚方法 marry ，后者的参数为函数式接口 Richable ，所以需要一个Lambda表达式。但是如果这个Lambda表达式的内容已经在本类当中存在了，则可以对 Husband 丈夫类进行修改：

public class Husband {
    private void buyHouse() {
     System.out.println("买套房子");
    }
    private void marry(Richable lambda) {
        lambda.buy();
    }
    public void beHappy() {
        marry(() ‐> this.buyHouse());
    }
}

如果希望取消掉Lambda表达式，用方法引用进行替换，则更好的写法为：

public class Husband {
    private void buyHouse() {
        System.out.println("买套房子");
    }
    private void marry(Richable lambda) {
        lambda.buy();
    }
    public void beHappy() {
        marry(this::buyHouse);
    }
}

在这个例子中，下面两种写法是等效的：

Lambda表达式：() -> this.buyHouse()
方法引用： this::buyHouse

2.9 类的构造器引用

由于构造器的名称与类名完全一样，并不固定。所以构造器引用使用 类名称::new 的格式表示。首先是一个简单的 Person 类：

public class Person {
    private String name;
    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

然后是用来创建 Person 对象的函数式接口：

public interface PersonBuilder {
    Person buildPerson(String name);
}

要使用这个函数式接口，可以通过Lambda表达式：

public class Demo09Lambda {
    public static void printName(String name, PersonBuilder builder) {
        System.out.println(builder.buildPerson(name).getName());
    }
    public static void main(String[] args) {
        printName("赵丽颖", name ‐> new Person(name));
    }
}

但是通过构造器引用，有更好的写法：

public class Demo10ConstructorRef {
    public static void printName(String name, PersonBuilder builder) {
        System.out.println(builder.buildPerson(name).getName());
    }
    public static void main(String[] args) {
        printName("赵丽颖", Person::new);
    }
}

在这个例子中，下面两种写法是等效的：

Lambda表达式： name -> new Person(name)
方法引用： Person::new

2.10 数组的构造器引用

数组也是 Object 的子类对象，所以同样具有构造器，只是语法稍有不同。如果对应到Lambda的使用场景中时，需要一个函数式接口：

@FunctionalInterface
public interface ArrayBuilder {
    int[] buildArray(int length);
}

在应用该接口的时候，可以通过Lambda表达式：

public class Demo11ArrayInitRef {
    private static int[] initArray(int length, ArrayBuilder builder) {
        return builder.buildArray(length);
    }
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = initArray(10, length ‐> new int[length]);
    }
}

但是更好的写法是使用数组的构造器引用：

public class Demo12ArrayInitRef {
    private static int[] initArray(int length, ArrayBuilder builder) {
        return builder.buildArray(length);
    }
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = initArray(10, int[]::new);
    }
}

在这个例子中，下面两种写法是等效的：

Lambda表达式： length -> new int[length]
方法引用： int[]::new

JavaSE-Stream流、方法引用

第一章：Stream流

1.1 引言

传统集合的多步遍历代码

循环遍历的弊端

Stream的更优写法

1.2 流式思想

1.3 获取流

根据Collection获取流

根据Map获取流

根据数组获取流

1.4 常用方法

逐一处理：forEach

基本使用

过滤：filter

复习Predicate接口

基本使用

映射：map

复习Function接口

基本使用

统计个数：count

取用前几个：limit

跳过前几个：skip

组合：concat

第二章：方法引用

2.1 冗余的Lambda场景

2.2 问题分析

2.3 用方法引用改进代码

2.4方法引用符

语义分析

推导与省略

2.5 通过对象名引用成员方法

2.6 通过类名称引用静态方法

2.7通过super引用成员方法

2.8 通过this引用成员方法

2.9 类的构造器引用

2.10 数组的构造器引用

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