Java8 新特性之流式数据处理

摘要: java8的流式处理极大了简化我们对于集合、数组等结构的操作，让我们可以以函数式的思想去操作，本篇文章将探讨java8的流式数据处理的基本使用。

一. 流式处理简介

在我接触到java8流式处理的时候，我的第一感觉是流式处理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：

List 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 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，

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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：



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
List students = new ArrayList() {
    {
        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"));
    }
};

2.1 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 filter(Predicate 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 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 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 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 comparator)

，比如我们希望筛选出专业为土木工程的学生，并按年龄从小到大排序，筛选出年龄最小的两个学生，那么可以实现为：

List 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 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。

2.2 映射

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

除了上面这类基础的map，java8还提供了

mapToDouble(ToDoubleFunction mapper)

，

mapToInt(ToIntFunction mapper)

，

mapToLong(ToLongFunction 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 distinctStrs = Arrays.stream(strs)
                                .map(str -> str.split(""))  // 映射成为Stream
                                .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

进行操作。此时flatMap就可以达到我们的目的：

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

flatMap将由map映射得到的

Stream

，转换成由各个字符串数组映射成的流

Stream

，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

，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：

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下载

flatMapToDouble(Function mapper)

，

flatMapToInt(Function mapper)

，

flatMapToLong(Function 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);
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()));
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()));
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 optStu = students.stream().filter(student -> "土木工程".equals(student.getMajor())).findFirst();
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，关于该类型的具体讲解可以参考上一篇：Java8新特性 – Optional类。

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 optStu = students.stream().filter(student -> "土木工程".equals(student.getMajor())).findAny();
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，是因为在下一篇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。

3.2 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

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 totalAge = students.stream()
                .filter(student -> "计算机科学".equals(student.getMajor()))
                .map(Student::getAge)
                .reduce(Integer::sum);  // 去掉初始值

3.3 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。

3.3.1 归约

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。

例1：求学生的总人数

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

例2：求年龄的最大值和最小值

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

例3：求年龄总和

int totalAge4 = students.stream().collect(Collectors.summingInt(Student::getAge));
对应的还有

summingLong

、

summingDouble

。

例4：求年龄的平均值

double avgAge = students.stream().collect(Collectors.averagingInt(Student::getAge));
对应的还有

averagingLong

、

averagingDouble

。

例5：一次性得到元素个数、总和、均值、最大值、最小值

IntSummaryStatistics statistics = students.stream().collect(Collectors.summarizingInt(Student::getAge));
输出：

IntSummaryStatistics{count=10, sum=220, min=20, average=22.000000, max=24}
对应的还有

summarizingLong

、

summarizingDouble

。

例6：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

3.3.2 分组

在数据库操作中，我们可以通过

GROUP BY

关键字对查询到的数据进行分组，java8的流式处理也为我们提供了这样的功能

Collectors.groupingBy

来操作集合。比如我们可以按学校对上面的学生进行分组：

Map> groups = students.stream().collect(Collectors.groupingBy(Student::getSchool));

groupingBy

接收一个分类器

Function classifier

，我们可以自定义分类器来实现需要的分类效果。

上面演示的是一级分组，我们还可以定义多个分类器实现 多级分组，比如我们希望在按学校分组的基础之上再按照专业进行分组，实现如下：

Map>> groups2 = students.stream().collect(
               Collectors.groupingBy(Student::getSchool,  // 一级分组，按学校
               Collectors.groupingBy(Student::getMajor)));  // 二级分组，按专业
实际上在

groupingBy

的第二个参数不是只能传递groupingBy，还可以传递任意

Collector

类型，比如我们可以传递一个

Collector.counting

，用以统计每个组的个数：

Map groups = students.stream().collect(Collectors.groupingBy(Student::getSchool, Collectors.counting()));
如果我们不添加第二个参数，则编译器会默认帮我们添加一个

Collectors.toList()

。

3.3.3 分区

分区可以看做是分组的一种特殊情况，在分区中key只有两种情况：true或false，目的是将待分区集合按照条件一分为二，java8的流式处理利用

ollectors.partitioningBy()

方法实现分区，该方法接收一个谓词，例如我们希望将学生分为武大学生和非武大学生，那么可以实现如下：

Map> partition = students.stream().collect(Collectors.partitioningBy(student -> "武汉大学".equals(student.getSchool())));
分区相对分组的优势在于，我们可以同时得到两类结果，在一些应用场景下可以一步得到我们需要的所有结果，比如将数组分为奇数和偶数。

以上介绍的所有收集器均实现自接口

java.util.stream.Collector

，该接口的定义如下：

public interface Collector {
    /**
     * A function that creates and returns a new mutable result container.
     *
     * @return a function which returns a new, mutable result container
     */
    Supplier supplier();
    /**
     * A function that folds a value into a mutable result container.
     *
     * @return a function which folds a value into a mutable result container
     */
    BiConsumer accumulator();
    /**
     * A function that accepts two partial results and merges them.  The
     * combiner function may fold state from one argument into the other and
     * return that, or may return a new result container.
     *
     * @return a function which combines two partial results into a combined
     * result
     */
    BinaryOperator combiner();
    /**
     * Perform the final transformation from the intermediate accumulation type
     * {@code A} to the final result type {@code R}.
     *
     * 
If the characteristic {@code IDENTITY_TRANSFORM} is
     * set, this function may be presumed to be an identity transform with an
     * unchecked cast from {@code A} to {@code R}.
     *
     * @return a function which transforms the intermediate result to the final
     * result
     */
    Function finisher();
    /**
     * Returns a {@code Set} of {@code Collector.Characteristics} indicating
     * the characteristics of this Collector.  This set should be immutable.
     *
     * @return an immutable set of collector characteristics
     */
    Set characteristics();
}

我们也可以实现该接口来定义自己的收集器，此处不再展开。

stream()

parallelStream()

parallelStream()

stream()

parallelStream()