Java8新特性之Stream流以及方法引用
一. String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. 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：
package Demo02;
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 s : list){
System.out.println(s);
}
}
}
运行结果如下：
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表达式让我们可以更加专注于做什么（What），而不是怎么做（How），这点此前已经结合内部类进行了对比说明。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：
package Demo02;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Demo02NormalFilter {
public static void main(String[] args){
List<String> listA = new ArrayList<>();
listA.add("张无忌");
listA.add("周芷若");
listA.add("赵敏");
listA.add("张强");
listA.add("张三丰");
List<String> listB = new ArrayList<>();
for(String s : listA){
if(s.startsWith("张")){
listB.add(s);
}
}
List<String> listC = new ArrayList<>();
for(String s : listB){
if(s.length() == 3){
listC.add(s);
}
}
for(String s : listC){
System.out.println(s);
}
}
}
运行结果如下：
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。
那么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：
package Demo02;
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。
2. 流式思想概述
注意：请暂时忘记对传统IO流的固有印象！
Stream API可以极大提高Java程序员的生产力，让程序员写出高效率、干净、简洁的代码。
这种风格将要处理的元素集合看作一种流， 流在管道中传输， 并且可以在管道的节点上进行处理， 比如筛选， 排序，聚合等。
元素流在管道中经过中间操作（intermediate operation）的处理，最后由最终操作(terminal operation)得到前面处理的结果。
整体来看，流式思想类似于工厂车间的“生产流水线”。
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。
备注：“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）。
什么是Stream？
Stream（流）是一个来自数据源的元素队列并支持聚合操作
- 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，I/O channel， 产生器generator 等。
- 聚合操作：类似SQL语句一样的操作， 比如filter, map, reduce, find, match, sorted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For-Each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， 通过访问者模式(Visitor)实现。
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。
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.
package Demo02;
import java.util.*;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo04Collection {
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：
package Demo02;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo05Map {
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>> entrys = 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：
package Demo02;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo06GetStream {
public static void main(String[] args){
String[] array = {"私","忆","一","秒","钟"};
Stream<String> stream = Stream.of(array);
}
}
备注： of 方法的参数其实是一个可变参数，所以支持数组
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。
4.1 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。
Consumer接口：
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：
package Demo02;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo07Consumer {
public static void main(String[] args){
Stream<String> stream = Stream.of("私","忆","一","秒","钟");
stream.forEach(s->System.out.println(s));
}
}
运行结果如下：
4.2 过滤：filter
可以通过 filter 方法将一个流转换成另一个子集流。
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。
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：
package Demo02;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo08StreamFilter {
public static void main(String[] args){
Stream<String> original = Stream.of("张无忌","张三丰","周芷若");
Stream<String> result = original.filter(s->s.startsWith("张"));
}
}
在这里通过Lambda表达式来指定了筛选的条件：必须姓张。
4.3 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。
Function接口：
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：
ackage Demo02;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo09StreamMap {
public static void main(String[] args){
Stream<String> original = Stream.of("1","2","3");
Stream<Integer> result = original.map(s->Integer.parseInt(s));
}
}
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）。
4.4 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：
package Demo02;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo10StreamCount {
public static void main(String[] args){
Stream<String> original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若");
Stream<String> result = original.filter(s->s.startsWith("张"));
System.out.println(result.count());
}
}
运行结果如下：
4.5 取前几个：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：
package Demo02;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo11StreamLimit {
public static void main(String[] args){
Stream<String> stream = Stream.of("私","忆","一","秒","钟");
Stream<String> stream2 = stream.limit(2);
System.out.println(stream2.count());
}
}
运行结果如下：
4.6 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：
package Demo02;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo12StreamSkip {
public static void main(String[] args){
Stream<String> stream = Stream.of("私","忆","一","秒","钟");
Stream<String> stream2 = stream.skip(2);
System.out.println(stream2.count());
}
}
运行结果如下：
4.7 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)
备注：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：
package Demo02;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo13StreamConcat {
public static void main(String[] args){
Stream<String> stream = Stream.of("私","忆");
Stream<String> stream2 = Stream.of("一","秒","钟");
Stream<String> stream3 = Stream.concat(stream,stream2);
System.out.println(stream3.count());
}
}
运行结果如下：
二. 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？
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：
package Demo02;
public class Demo14Simple {
private static void printString(Printable p){
p.print("hello,world");
}
public static void main(String[] args){
printString(s->System.out.println(s));
}
}
运行结果如下：
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. 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？
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：
package Demo02;
public class Demo15PrintRef {
private static void printString(Printable p){
p.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。
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。
4.1 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
4.2 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：
package Demo02;
@FunctionalInterface
public interface PrinttableInteger {
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：
package Demo02;
public class Demo16PrintOverload {
private static void printString(PrintableInteger p){
p.print(1024);
}
public static void main(String[] args){
printString(System.out::println);
}
}
运行结果如下：
这次方法引用将会自动匹配到 println(int) 的重载形式。
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：
package Demo02;
public class MethodRefObject {
public void printUpperCase(String str){
System.out.println(str.toUpperCase());
}
}
函数式接口仍然定义为：
package Demo02;
@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：
package Demo02;
public class Demo17MethodRef {
private static void printString(Printable p){
p.print("hello");
}
public static void main(String[] args){
MethodRefObject mro = new MethodRefObject();
printString(mro::printUpperCase);
}
}
运行结果如下：
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：
package Demo02;
@FunctionalInterface
public interface Calcable {
int calc(int num);
}
第一种写法是使用Lambda表达式：
package Demo02;
public class Demo18Lambda {
public static void method(int num,Calcable c){
System.out.println(c.calc(num));
}
public static void main(String[] args){
method(-10,num->Math.abs(num));
}
}
运行结果如下：
但是使用方法引用的更好写法是：
package Demo02;
public class Demo19MethodRef {
private static void method(int num,Calcable c){
System.out.println(c.calc(num));
}
public static void main(String[] args){
method(-12,Math::abs);
}
}
运行结果如下：
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
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：
package Demo02;
@FunctionalInterface
public interface Greetable {
void greet();
}
然后是父类 Human 的内容：
package Demo02;
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：
package Demo02;
public class Man extends Human{
@Override
public void sayHello(){
System.out.println("大家好！我是Man!");
}
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 ：
package Demo02;
public class Man extends Human{
@Override
public void sayHello(){
System.out.println("大家好！我是Man!");
}
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
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：
package Demo02;
@FunctionalInterface
public interface Richable {
void buy();
}
下面是一个丈夫 Husband 类：
package Demo02;
public class Husband {
public void marry(Richable r){
r.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：
package Demo02;
public class Husband {
private void buyHouse(){
System.out.println("买套房子！");
}
public void marry(Richable r){
r.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：
package Demo02;
public class Husband {
private void buyHouse(){
System.out.println("买套房子！");
}
public void marry(Richable r){
r.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
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：
package Demo02;
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：
package Demo02;
@FunctionalInterface
public interface PersonBuilder {
Person builderPerson(String name);
}
要使用这个函数式接口，可以通过Lambda表达式：
package Demo02;
public class Demo20Lambda {
public static void printName(String name,PersonBuilder pb){
System.out.println(pb.builderPerson(name).getName());
}
public static void main(String[] args){
printName("私忆一秒钟",name-> new Person(name));
}
}
运行结果如下：
但是通过构造器引用，有更好的写法：
package Demo02;
public class Demo20Lambda {
public static void printName(String name,PersonBuilder pb){
System.out.println(pb.builderPerson(name).getName());
}
public static void main(String[] args){
printName("私忆一秒钟",Person::new);
}
}
运行结果如下：
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
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：
package Demo02;
@FunctionalInterface
public interface ArrayBuilder {
int[] builderArray(int length);
}
在应用该接口的时候，可以通过Lambda表达式：
package Demo02;
public class Demo21ArrayInitRef {
public static int[] initArray(int length,ArrayBuilder ab){
return ab.builderArray(length);
}
public static void main(String[] args){
int[] arr = initArray(10,len->new int[len]);
}
}
但是更好的写法是使用数组的构造器引用：
package Demo02;
public class Demo21ArrayInitRef {
public static int[] initArray(int length,ArrayBuilder ab){
return ab.builderArray(length);
}
public static void main(String[] args){
int[] arr = 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