Lambda 表达式与 Stream

其他 2020-02-28 10:35:20 阅读次数: 0

引用至：https://gper.club/articles/7e7e7f7ff7g5egcdg63

本文并非原创，是根据网上一些文字总结而来。

Lambda 表达式

Lambda语法

Lambda表达式在Java中引入了一个新的语法元素和操作符->，它将Lambda分成两个部分：

左侧：指定Lambda表达式需要的所有参数；

右侧：指定了Lambda体，即Lambda表达式要执行的功能。

语法格式一：无参，无返回值，Lambda体只需要一条语句

 
Runnable runnable = () -> System.out.println("Hello World"); runnable.run();

语法格式二：Lambda有一个参数，且无返回值

 
Consumer<String> com = (x) -> System.out.println(x); com.accept("Hello World");

语法格式三：Lambda有一个参数，参数的小括号可以省略

 
Consumer<String> com = x -> System.out.println(x); com.accept("Hello World");

语法格式四：Lambda有2个参数，并且有返回值，多条语句时必须加上{}

 
BinaryOperator<Integer> bi = (x, y) -> { 
    System.out.println("加法"); 
    return x + y; 
}; 
Integer apply = bi.apply(23, 45); System.out.println(apply);

语法格式五：当Lambda体只有一条语句时，return与大括号可以省略

语法格式六：Lambda的参数列表的类型可以不写，JVM编辑器可以通过上下文进行”类型推断“

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BinaryOperator<Integer> bi = (x, y) -> x + y; 
System.out.println(bi.apply(20, 30));

函数式接口

只包含一个抽象方法的接口，称为函数式接口。

可以在任意函数式接口上使用@FunctionalInterface注解，这样可以检查此接口是否是一个函数式接口，同时javadoc也会包含一条声明，说明这是一个函数式接口。

 
@FunctionalInterface 
public interface ICalculate { //有且只有一个抽象函数 
    int calculate(int x, int y); //可以有默认方法 

    default void print(int x, int y) { 
        System.out.println(String.format("[x:%d,y:%d]", x, y)); 
    } 

    //可以有静态方法 
    static int addition(int x, int y) { 
        return x + y; 
    } 

    public static void main(String[] args) { 
        ICalculate c = (x, y) -> 100 * x + 10 * y; 
        System.out.println(c.calculate(5, 6)); 
    }     
}

##使用场所

1、替代匿名内部类

 
//jdk1.8之前
new Thread(new Runnable() {
     @Override
     public void run() {
        System.out.println("jdk1.8 befare");
     }
}).start();

System.out.println("=============================");

//jdk1.8
new Thread(() -> System.out.println("jdk1.8 lambda")).start();

2、对集合进行迭代

 
List<String> dict = Arrays.asList("java", "C#", "PHP", "C++");
//jdk1.8之前
for (String lang : dict){
    System.out.println(lang);
}

System.out.println("=============================");

//jdk1.8
//dict.forEach(lang -> System.out.println(lang));
dict.forEach(System.out::println);

3、对集合进行过滤

jdk1.8之前

 
//定义过滤接口
public interface FilterProcessor<T> {
    boolean process(T t);
}

//实现filter函数
public class Filter<T> {
    List<T> filter(List<T>list, FilterProcessor fp){
        List<T> result = new ArrayList<T>();
        for (T t : list){
            if (fp.process(t))
                result.add(t);
        }
        return result;
    }
}
		//使用匿名内部类实现过滤
		List<Integer> cost = Arrays.asList(1, 3, 5, 6, 7, 10, 20, 100);
        
        List<Integer> beferFilterCost = new Filter().filter(cost, new 	FilterProcessor<Integer>() {
            @Override
            public boolean process(Integer i) {
                if (i > 5)
                    return true;
                return false;
            }
        });
        beferFilterCost.forEach(System.out::println);

jdk1.8

 
List<Integer> cost = Arrays.asList(1, 3, 5, 6, 7, 10, 20, 100);

List<Integer> filterCost = cost.stream().filter(x -> x > 5).collect(Collectors.toList());
filterCost.forEach(System.out::println);

4、实现map

map函数可以说是函数式编程里最重要的一个方法了。map的作用是将一个对象变换为另外一个。

 
//将cost增加了0,05倍的大小然后输出
List<Double> cost = Arrays.asList(10.0, 20.0,30.0);
cost.stream().map(x -> x + x*0.05).forEach(x -> System.out.println(x));

5、实现reduce

reduce实现的是将所有值合并为一个

jdk1.8之前

 
List<Double> cost = Arrays.asList(10.0, 20.0,30.0);
double sum = 0;
for(double each:cost) {
	each += each * 0.05;
    sum += each;
}
System.out.println(sum);

jdk1.8

 
List<Double> cost = Arrays.asList(10.0, 20.0,30.0);
double allCost = cost.stream().map(x -> x+x*0.05).reduce((sum,x) -> sum + x).get();
System.out.println(allCost);

6、与函数式接口Predicate配合

除了在语言层面支持函数式编程风格，Java 8也添加了一个包，叫做java.util.function。它包含了很多类，用来支持Java的函数式编程。其中一个便是Predicate，使用 java.util.function.Predicate 函数式接口以及lambda表达式，可以向API方法添加逻辑，用更少的代码支持更多的动态行为。Predicate接口非常适用于做过滤。

 
public static void filterTest(List<String> languages, Predicate<String> condition) {
        languages.stream().filter(x -> condition.test(x)).forEach(x -> 			System.out.println(x + " "));
}

public static void main(String[] args) {
    List<String> languages = Arrays.asList("Java","Python","scala","Shell","R");
    System.out.println("Language starts with J: ");
    filterTest(languages,x -> x.startsWith("J"));
    System.out.println("\nLanguage ends with a: ");
    filterTest(languages,x -> x.endsWith("a"));
    System.out.println("\nAll languages: ");
    filterTest(languages,x -> true);
    System.out.println("\nNo languages: ");
    filterTest(languages,x -> false);
    System.out.println("\nLanguage length bigger three: ");
    filterTest(languages,x -> x.length() > 4);
}

Stream

Stream定义

Java 8 中的 Stream 是对集合（Collection）对象功能的增强，它专注于对集合对象进行各种非常便利、高效的聚合操作（aggregate operation），或者大批量数据操作 (bulk data operation)。

Stream API 借助于同样新出现的 Lambda 表达式，极大的提高编程效率和程序可读性。

同时它提供串行和并行两种模式进行汇聚操作，并发模式能够充分利用多核处理器的优势，使用 fork/join 并行方式来拆分任务和加速处理过程。

stream总览

Stream 不是集合元素，它不是数据结构并不保存数据，它是有关算法和计算的，它更像一个高级版本的 Iterator。

Stream 就如同一个迭代器（Iterator），单向，不可往复，数据只能遍历一次，遍历过一次后即用尽了，就好比流水从面前流过，一去不复返。

而和迭代器又不同的是，Stream 可以并行化操作，迭代器只能命令式地、串行化操作。

Stream 的另外一大特点是，数据源本身可以是无限的。

stream的构成

当我们使用一个流的时候，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。

image.png![1534832555509](stream Pipeline.png)

有多种方式生成 Stream Source：

  • 从Collection和数组
    • COllection.steam()
    • Collection.parallelStream()
    • Arrays.stream(T arrary) or Stream.of()
  • 从BufferedReader
    • java.io.BuffereReader.lines()
  • 静态工厂
  • java.util.stream.IntStream.range()
  • java.nio.file.Files.walk()
  • 自己构建
    • java.util.Spliterator
  • 其他
    • Random.ints()
    • BitSet.stream()
    • Pattern.splitAsStream(java.lang.CharSequence)
    • JarFile.stream()

stream操作类型分为两种：

  • Intermediate : 一个流可以后面跟随零个或多个intermediate 操作。其目的主要是打开流，做出某种程度的数据映射/过滤，然后返回一个新的流，交给下一个操作使用。这类操作都是惰性化的（lazy），就是说，仅仅调用到这类方法，并没有真正开始流的遍历。
  • Terminal : 一个流只能有一个 terminal 操作，当这个操作执行后，流就被使用“光”了，无法再被操作。所以这必定是流的最后一个操作。Terminal 操作的执行，才会真正开始流的遍历，并且会生成一个结果，或者一个 side effect。

还有一种操作被称为 short-circuiting。用以指：

  • 对于一个 intermediate 操作，如果它接受的是一个无限大（infinite/unbounded）的 Stream，但返回一个有限的新 Stream。
  • 对于一个terminal 操作，如果它接受的是一个无限大的 Stream，但能在有限的时间计算出结果。

stream操作示例

 
int sum = widgets.stream()
.filter(w -> w.getColor() == RED)
 .mapToInt(w -> w.getWeight())
 .sum();

stream() 获取当前小物件的 source，filter 和 mapToInt 为 intermediate 操作，进行数据筛选和转换，最后一个 sum() 为 terminal 操作，对符合条件的全部小物件作重量求和。

stream使用详解

简单说，对 Stream 的使用就是实现一个 filter-map-reduce 过程，产生一个最终结果，或者导致一个副作用（side effect）。

stream的构造与转换

构造stream的几种常见方法

 
// 1. Individual values
Stream stream = Stream.of("a", "b", "c");
// 2. Arrays
String [] strArray = new String[] {"a", "b", "c"};
stream = Stream.of(strArray);
stream = Arrays.stream(strArray);
// 3. Collections
List<String> list = Arrays.asList(strArray);
stream = list.stream();

需要注意的是，对于基本数值型，目前有三种对应的包装类型 Stream：IntStream、LongStream、DoubleStream。

当然我们也可以用 Stream、Stream >、Stream，但是 boxing 和 unboxing 会很耗时，所以特别为这三种基本数值型提供了对应的 Stream。

数据流的构造

 
IntStream.of(new int[]{1, 2, 3}).forEach(System.out::println);
IntStream.range(1, 3).forEach(System.out::println);
IntStream.rangeClosed(1, 3).forEach(System.out::println);

stream转换为其它数据结构

 
// 1. Array
String[] strArray1 = stream.toArray(String[]::new);
// 2. Collection
List<String> list1 = stream.collect(Collectors.toList());
List<String> list2 = stream.collect(Collectors.toCollection(ArrayList::new));
Set set1 = stream.collect(Collectors.toSet());
Stack stack1 = stream.collect(Collectors.toCollection(Stack::new));
// 3. String
String str = stream.collect(Collectors.joining()).toString();

一个 Stream 只可以使用一次，上面的代码为了简洁而重复使用了数次。

stream操作

当把一个数据结构包装成 Stream 后，就要开始对里面的元素进行各类操作了。常见的操作可以归类如下。

  • Intermediate
    • map(mapToInt, flatMap 等)
    • filter
    • distinct
    • sorted
    • peek
    • limit
    • skip
    • parallel
    • sequential
    • unordered
  • Terminal
    • forEach
    • forEachOrdered
    • toArray
    • reduce
    • collect
    • min
    • max
    • count
    • anyMatch
    • allMatch
    • noneMatch
    • findFirst
    • findAny
    • iterator
  • Short-circuiting
    • anyMatch
    • allMatch
    • noneMtch
    • findFirst
    • findAny
    • limit

典型用法

转换大写

 
List<String> output = wordList.stream().
map(String::toUpperCase).
collect(Collectors.toList());

平方数

 
List<Integer> nums = Arrays.asList(1, 2, 3, 4);
List<Integer> squareNums = nums.stream().
map(n -> n * n).
collect(Collectors.toList());

map生成的是个 1:1 映射，每个输入元素，都按照规则转换成为另外一个元素。

一对多

 
Stream<List<Integer>> inputStream = Stream.of(
	Arrays.asList(1),
 	Arrays.asList(2, 3),
 	Arrays.asList(4, 5, 6)
);
Stream<Integer> outputStream = inputStream.flatMap((childList) -> childList.stream());

flatMap把 input Stream 中的层级结构扁平化，就是将最底层元素抽出来放到一起，最终 output 的新 Stream 里面已经没有 List 了，都是直接的数字。

filter

 
//取偶数
Integer[] sixNums = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
Integer[] evens =
Stream.of(sixNums).filter(n -> n%2 == 0).toArray(Integer[]::new);

/**
* 挑单词
* 把每行的单词用 flatMap 整理到新的 Stream，然后保留长度不为 0 的，就是整篇文章中的全部单词了
*/
List<String> output = reader.lines().
    flatMap(line -> Stream.of(line.split(REGEXP))).
 	filter(word -> word.length() > 0).
 	collect(Collectors.toList());

forEach

 
// Java 8
roster.stream()
 .filter(p -> p.getGender() == Person.Sex.MALE)
 .forEach(p -> System.out.println(p.getName()));
// Pre-Java 8
for (Person p : roster) {
     if (p.getGender() == Person.Sex.MALE) {
        System.out.println(p.getName());
     }
}

forEach是为 Lambda而设计的，保持了最紧凑的风格。

当需要为多核系统优化时，可以parallelStream().forEach()，只是此时原有元素的次序没法保证，并行的情况下将改变串行时操作的行为，此时 forEach本身的实现不需要调整，而 Java8 以前的 for 循环 code 可能需要加入额外的多线程逻辑。

另外一点需要注意，forEach是 terminal操作，因此它执行后，Stream 的元素就被“消费”掉了，你无法对一个 Stream 进行两次 terminal运算。下面的代码是错误的：

 
stream.forEach(element -> doOneThing(element));
stream.forEach(element -> doAnotherThing(element));

相反，具有相似功能的 intermediate 操作 peek 可以达到上述目的 。

 
//peek 对每个元素执行操作并返回一个新的 Stream
Stream.of("one", "two", "three", "four")
 	.filter(e -> e.length() > 3)
 	.peek(e -> System.out.println("Filtered value: " + e))
 	.map(String::toUpperCase)
 	.peek(e -> System.out.println("Mapped value: " + e))
 	.collect(Collectors.toList());

forEach不能修改自己包含的本地变量值，也不能用 break/return 之类的关键字提前结束循环。

findFirst

这是一个 termimal兼 short-circuiting 操作，它总是返回 Stream 的第一个元素，或者空。

比较重点的是它的返回值类型：Optional。这也是一个模仿 Scala 语言中的概念，作为一个容器，它可能含有某值，或者不包含。使用它的目的是尽可能避免 NullPointerException。

Optional 的两个用例

 
String strA = " abcd ", strB = null;
print(strA);
print("");
print(strB);
getLength(strA);
getLength("");
getLength(strB);

public static void print(String text) {
     // Java 8
     Optional.ofNullable(text).ifPresent(System.out::println);
     // Pre-Java 8
     if (text != null) {
     	System.out.println(text);
     }
 }
public static int getLength(String text) {
 	// Java 8
    return Optional.ofNullable(text).map(String::length).orElse(-1);
     // Pre-Java 8
    // return if (text != null) ? text.length() : -1;
 };

Stream 中的 findAny、max/min、reduce等方法等返回 Optional值。还有例如 IntStream.average() 返回 OptionalDouble等等。

reduce

这个方法的主要作用是把 Stream 元素组合起来。它提供一个起始值（种子），然后依照运算规则（BinaryOperator），和前面 Stream 的第一个、第二个、第 n 个元素组合。从这个意义上说，字符串拼接、数值的 sum、min、max、average都是特殊的 reduce。

例如 Stream 的 sum 就相当于

 
Integer sum = integers.reduce(0, (a, b) -> a+b); 
//或
Integer sum = integers.reduce(0, Integer::sum);

也有没有起始值的情况，这时会把 Stream 的前面两个元素组合起来，返回的是 Optional。

reduce示例

 
// 字符串连接，concat = "ABCD"
String concat = Stream.of("A", "B", "C", "D").reduce("", String::concat); 
// 求最小值，minValue = -3.0
double minValue = Stream.of(-1.5, 1.0, -3.0, -2.0).reduce(Double.MAX_VALUE, Double::min); 
// 求和，sumValue = 10, 有起始值
int sumValue = Stream.of(1, 2, 3, 4).reduce(0, Integer::sum);
// 求和，sumValue = 10, 无起始值
sumValue = Stream.of(1, 2, 3, 4).reduce(Integer::sum).get();
// 过滤，字符串连接，concat = "ace"
concat = Stream.of("a", "B", "c", "D", "e", "F").
 filter(x -> x.compareTo("Z") > 0).
 reduce("", String::concat);

 

limit/skip

limit返回 Stream 的前面 n 个元素；skip则是扔掉前 n 个元素（它是由一个叫 subStream的方法改名而来）。

 
public void testLimitAndSkip() {
     List<Person> persons = new ArrayList();
     for (int i = 1; i <= 10000; i++) {
         Person person = new Person(i, "name" + i);
         persons.add(person);
     }
     List<String> personList2 = persons.stream().
     map(Person::getName).limit(10).skip(3).collect(Collectors.toList());
     System.out.println(personList2);
}
    
private class Person {
     public int no;
     private String name;
     public Person (int no, String name) {
     this.no = no;
     this.name = name;
	}
     
	public String getName() {
         System.out.println(name);
         return name;
     }
}

有一种情况是 limit/skip 无法达到 short-circuiting目的的，就是把它们放在 Stream 的排序操作后，原因跟 sorted 这个 intermediate操作有关：此时系统并不知道 Stream 排序后的次序如何，所以 sorted中的操作看上去就像完全没有被 limit或者 skip一样。

 
List<Person> persons = new ArrayList();
 for (int i = 1; i <= 5; i++) {
     Person person = new Person(i, "name" + i);
     persons.add(person);
 }
List<Person> personList2 = persons.stream().sorted((p1, p2) -> 
p1.getName().compareTo(p2.getName())).limit(2).collect(Collectors.toList());
System.out.println(personList2);

输出结果

 
name2
name1
name3
name2
name4
name3
name5
name4
[stream.StreamDW$Person@816f27d, stream.StreamDW$Person@87aac27]

有一点需要注意的是，对一个 parallel的 Steam 管道来说，如果其元素是有序的，那么 limit操作的成本会比较大，因为它的返回对象必须是前 n 个也有一样次序的元素。取而代之的策略是取消元素间的次序，或者不要用 parallel Stream。

sorted

对 Stream 的排序通过 sorted 进行，它比数组的排序更强之处在于你可以首先对 Stream 进行各类 map、filter、limit、skip 甚至 distinct 来减少元素数量后，再排序，这能帮助程序明显缩短执行时间。

 
//优化：排序前进行 limit 和 skip
List<Person> persons = new ArrayList();
 for (int i = 1; i <= 5; i++) {
     Person person = new Person(i, "name" + i);
     persons.add(person);
 }
List<Person> personList2 = persons.stream().limit(2).sorted((p1, p2) -> 			p1.getName().compareTo(p2.getName())).collect(Collectors.toList());
System.out.println(personList2);

这种优化是有 business logic 上的局限性的：即不要求排序后再取值。

min/max/distinct

min和 max的功能也可以通过对 Stream 元素先排序，再 findFirst来实现，但前者的性能会更好，为 O(n)，而 sorted的成本是 O(n log n)。同时它们作为特殊的 reduce方法被独立出来也是因为求最大最小值是很常见的操作。

 
//找出最长一行的长度
BufferedReader br = new BufferedReader(new FileReader("c:\\SUService.log"));
int longest = br.lines().
     mapToInt(String::length).
     max().
     getAsInt();
br.close();
System.out.println(longest);

//找出全文的单词，转小写，并排序
List<String> words = br.lines().
 	flatMap(line -> Stream.of(line.split(" "))).
 	filter(word -> word.length() > 0).
 	map(String::toLowerCase).
 	distinct().
 	sorted().
 	collect(Collectors.toList());
br.close();
System.out.println(words);

Match

Stream 有三个 match 方法，从语义上说：

  • allMatch: Stream 中全部元素符合传入的 predicate，返回 true
  • anyMatch: Stream 中只要有一个元素符合传入的 predicate，返回 true
  • noneMatch: Stream 中没有一个元素符合传入的 predicate，返回 true

它们都不是要遍历全部元素才能返回结果。例如 allMatch只要一个元素不满足条件，就 skip剩下的所有元素，返回 false。

 
List<Person> persons = new ArrayList();
persons.add(new Person(1, "name" + 1, 10));
persons.add(new Person(2, "name" + 2, 21));
persons.add(new Person(3, "name" + 3, 34));
persons.add(new Person(4, "name" + 4, 6));
persons.add(new Person(5, "name" + 5, 55));

boolean isAllAdult = persons.stream().
 	allMatch(p -> p.getAge() > 18);
System.out.println("All are adult? " + isAllAdult);

boolean isThereAnyChild = persons.stream().
 	anyMatch(p -> p.getAge() < 12);
System.out.println("Any child? " + isThereAnyChild);

总结

Stream特性可归纳为：

  • 不是数据结构
    • 没有内部存储，只是用操作管道从source（数据结构、数组、generator function、IO channe）抓取数据
    • 也绝不修改所封装的底层数据结构的数据。例如Stream的filter操作会产生一个不包含被过滤元素的新Stream，而不是从source删除那些元素
  • 所有Stream的操作必须以lambda表达式为参数
    • 不支持索引访问
    • 可以请求第一个元素，但无法请求第二个、第三个或最后一个
    • 很容易生成数据或List
  • 惰性化
    • 很多Stream操作是向后延迟的，一直到它弄清楚最后需要多少数据才会开始
    • Intermediate操作永远是惰性化的
  • 并行能力（parallelStream）
    • 当一个Stream是并行的，就不需要再写多线程代码，所有对它的操作会自动并行进行
  • 可以是无限的
    • 集合有固定大小，Stream则不必。limit(n)和findFirst()这类的short-circuiting操作可以对无限的Stream进行运算并很快完成
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