Java 8 | Stream (上)

Java 8 API添加了一個新的抽象稱為流Stream，可以讓你以一種聲明的方式處理資料。
Stream使用一種類似用SQL語句從資料庫查詢資料的直觀方式來提供一種對Java集合運算和表達的高階抽象。
Stream API可以極大提高Java工程師的生產力，讓工程師寫出高效率、乾淨、簡潔的程式碼。
這種風格將要處理的元素集合看作一種流，流在管道中傳輸，並且可以在管道的節點上進行處理，比如篩選，排序，聚合等。
元素流在管道中經過中間操作（intermediate operation）的處理，最後由最終操作(terminal operation)得到前面處理的結果。

什麼是 Stream？

Stream（流）是一個來自資料源的元素隊列並支持聚合操作

元素是特定類型的對象，形成一個隊列。Java中的Stream並不會存儲元素，而是按需計算。
資料源流的來源。可以是集合，數組，I/O channel，產生器generator等。
聚合操作類似SQL語句一樣的操作，比如filter, map, reduce, find, match, sorted等。

和以前的Collection操作不同， Stream操作還有兩個基礎的特徵：

Pipelining：中間操作都會返回流對象本身。這樣多個操作可以串聯成一個管道，如同流式風格（fluent style）。這樣做可以對操作進行優化，比如延遲執行(laziness)和短路(short-circuiting)。
內部迭代：以前對集合遍歷都是通過Iterator或者For-Each的方式, 顯式的在集合外部進行迭代，這叫做外部迭代。 Stream提供了內部迭代的方式，通過訪問者模式(Visitor)實現。

生成流

在Java 8中, 集合接口有兩個方法來生成流：

stream() − 為集合創建串行流。
parallelStream() − 為集合創建並行流。

1 2	List<String> strings = Arrays.asList("abc", "", "bc", "efg", "abcd","", "jkl"); List<String> filtered = strings.stream().filter(string -> !string.isEmpty()).collect(Collectors.toList());

forEach

Stream提供了新的方法forEach來迭代流中的每個資料。以下程式碼片段使用forEach輸出了10個隨機數：

1 2	Random random = new Random(); random.ints().limit(10).forEach(System.out::println);

輸出的結果為：(每次都不一樣)

-66046892
-520689372
1948714001
-1273889566
1556557700
-625079158
1192738185
670963331
2036672007
1227072394

map

map方法用於映射每個元素到對應的結果，以下程式碼片段使用map輸出了元素對應的平方數：

1
2
3

List<Integer> numbers = Arrays.asList(3, 2, 2, 3, 7, 3, 5);
// 獲取對應的平方數
List<Integer> squaresList = numbers.stream().map( i -> i*i).distinct().collect(Collectors.toList());

squaresList為：

1	[9, 4, 49, 25]

filter

filter方法用於通過設置的條件過濾出元素。以下程式碼片段使用 filter方法過濾出空字符串：

1
2
3

List<String>strings = Arrays.asList("abc", "", "bc", "efg", "abcd","", "jkl");
// 獲取空字符串的數量
long count = strings.stream().filter(string -> string.isEmpty()).count();

count為：

limit

limit方法用於獲取指定數量的流。以下程式碼片段使用limit方法印出10條資料：

1 2	Random random = new Random(); random.ints().limit(10).forEach(System.out::println);

輸出的結果為：(每次都不一樣)

817080995
-22725850
-966417209
1911363354
-339806648
1756412403
1301090797
-1468329974
670791451
58492884

sorted

sorted方法用於對流進行排序。以下程式碼片段使用sorted方法對輸出的10個隨機數進行排序：

1 2	Random random = new Random(); random.ints().limit(10).sorted().forEach(System.out::println);

輸出的結果為：(排序)

-1374877061
-1060567933
-896527306
-722725458
-412068101
-41244032
119875982
388041556
637913506
1828715765

統計

另外，一些產生統計結果的收集器也非常有用。它們主要用於int、double、long等基本類型上，它們可以用來產生類似如下的統計結果。

List<Integer> numbers = Arrays.asList(3, 2, 2, 3, 7, 3, 5);
 
IntSummaryStatistics stats = numbers.stream().mapToInt((x) -> x).summaryStatistics();
 
System.out.println("列表中最大的數 : " + stats.getMax());
System.out.println("列表中最小的數 : " + stats.getMin());
System.out.println("所有數之和 : " + stats.getSum());
System.out.println("平均數 : " + stats.getAverage());

輸出的結果為：

列表中最大的數 : 7
列表中最小的數 : 2
所有數之和 : 25
平均數 : 3.5714285714285716

簡單流程說明

1
2
3

+--------------------+       +------+   +------+   +---+   +-------+
| stream of elements +-----> |filter+-> |sorted+-> |map+-> |collect|
+--------------------+       +------+   +------+   +---+   +-------+

以上的流程轉換為Java程式為：

List<Integer> transactionsIds = 
widgets.stream()
             .filter(b -> b.getColor() == RED)
             .sorted((x,y) -> x.getWeight() - y.getWeight())
             .mapToInt(Widget::getWeight)
             .sum();

Stream之上的操作可分為中間操作和晚期操作

中間操作：會返回一個新的stream——執行一個中間操作（例如filter）並不會執行實際的過濾操作，而是創建一個新的stream，並將原stream中符合條件的元素放入新創建的stream。

晚期操作：（例如forEach或者sum），會遍歷stream並得出結果或者附帶結果；在執行晚期操作之後，stream處理線已經處理完畢，就不能使用了。在幾乎所有情況下，晚期操作都是立刻對stream進行遍歷。

範例

Stream API極大得簡化了集合操作（不止是集合），首先看下這個叫Task的類：

public class Streams  {
    private enum Status {
        OPEN, CLOSED
    };
    
    private static final class Task {
        private final Status status;
        private final Integer points;

        Task( final Status status, final Integer points ) {
            this.status = status;
            this.points = points;
        }
        
        public Integer getPoints() {
            return points;
        }
        
        public Status getStatus() {
            return status;
        }
        
        @Override
        public String toString() {
            return String.format( "[%s, %d]", status, points );
        }
    }
}

Task類有一個分數（或偽複雜度）的概念，另外還有兩種狀態：OPEN或者CLOSED。現在假設有一個task集合：

final Collection< Task > tasks = Arrays.asList(
    new Task( Status.OPEN, 5 ),
    new Task( Status.OPEN, 13 ),
    new Task( Status.CLOSED, 8 ) 
);

首先：在這個task集合中一共有多少個OPEN狀態的點？在Java 8之前，要解決這個問題，則需要使用foreach循環遍歷task集合；但是在Java 8中可以利用streams解決：包括一系列元素的列表，並且支持順序和並行處理。

// Calculate total points of all active tasks using sum()
final long totalPointsOfOpenTasks = tasks
    .stream()
    .filter( task -> task.getStatus() == Status.OPEN )
    .mapToInt( Task::getPoints )
    .sum();
        
System.out.println( "Total points: " + totalPointsOfOpenTasks );

輸出的結果為：

1	Total points: 18

tasks集合被轉換成stream表示；
stream上的filter操作會過濾掉所有CLOSED的task；
mapToInt操作基於每個task實例的Task::getPoints方法將task流轉換成Integer集合；
通過sum方法計算總和，得出最後的結果。

總結

這邊大致上稍為介紹了Stream的使用，透過範例並且實際去執行，在將來使用的時候才會有所印象；而這邊將Stream分成上下篇，下篇將會針對parallel和Collectors特別說明。

註：以上參考了
Stream 與平行化
 Java 8 Lambda新語法，簡化程式，增強效能
 Java 8 新特性
 Java 8的新特性—终极版
 现代化 Java - Java8 指南

Java 8 | Optional

Java 8 | Stream (下)

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本文由J.J. Huang 創作，採用CC BY 3.0 TW協議進行許可。可自由轉載、引用，但需署名作者且註明文章出處。

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J.J. Huang 2020-04-08 Java Java 8 瀏覽次數：次 {{moment(1586348400000).fromNow()}}