JAVA Lambda表达式详解

Lambda表达式

Java8新引入的语法糖 Lambda表达式*(关于lambda表达式是否属于语法糖存在很多争议,有人说他并不是语法糖,这里我们不纠结于字面表述)*。Lambda表达式是一种用于取代匿名类,把函数行为表述为函数式编程风格的一种匿名函数,这里再重申一下:Lambda表达式的执行结果是函数式接口的一个匿名对象(Lambda表达式的基本语法在初级课程已经讲过,在此不做赘述)。

1. 示例代码

需求:遍历List集合

1.1. 使用Lambda表达式

public class LambdaTest {
    public static void main(String... args) {
        List<String> strList = Arrays.asList("一", "二", "三");
        strList.forEach(s -> {
            System.out.println(s);
        });
    }
}

1.2. 使用匿名内部类

那么,我们可以使用匿名内部类的形式来实现上述lambda表达式的功能,以下代码的功能一致的:

public class LambdaTest2 {
    public static void main(String... args) {
        List<String> strList = Arrays.asList("马", "士", "兵");
        //通过匿名内部类来代替lambda表达式
        strList.forEach(new Consumer<String>() {
            @Override
            public void accept(String s) {
                System.out.println(s);
            }
        });
    }
}

2. 示例代码分析

forEach()Iterable接口的一个默认方法,它需要一个Consumer类型的参数,方法体中是一个for循环,对迭代器的每一个对象进行遍历,处理方法就是调用参数对象的accept()方法:

    default void forEach(Consumer<? super T> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        for (T t : this) {
            action.accept(t);
        }
    }

继续查看Consumeraccept(T)方法,可以看到Consumer是一个函数式接口(只有一个抽象方法的接口,java8中称之为函数式接口),只有一个抽象方法accept(T)

@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {
    /**
     * Performs this operation on the given argument.
     *
     * @param t the input argument
     */
    void accept(T t);
    // ...
}

我们对照一下示例代码:

strList.forEach(s -> {System.out.println(s);});

可以大胆的猜测,Lambda表达式

s -> {System.out.println(s);}相当于是实现了Consumer接口的一个匿名(内部类)对象,

而大括号里面的内容:System.out.println(s);相当于重写了accept()的方法体。

当然,事情远远没有这么简单(想要直接看结论的童鞋请跳转本节最后)。

3. 反编译lambda表达式代码

对包含lambda表达式的class文件进行反编译时需要注意:

jad系列的反编译工具不支持jdk1.8,所以这里使用CFR进行反编译。

cfr下载地址:http://www.benf.org/other/cfr/

语法:java -jar cfr-0.145.jar LambdaTest.class --decodelambdas false

反编译后可以得到:

import java.io.PrintStream;
import java.lang.invoke.LambdaMetafactory;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.function.Consumer;

public class LambdaTest {
    public static void main(String ... args) {
        List<String> strList = Arrays.asList("1", "2", "3");
        strList.forEach((Consumer<String>)LambdaMetafactory.metafactory(null, null, null, (Ljava/lang/Object;)V, lambda$main$0(java.lang.String ), (Ljava/lang/String;)V)());
    }

    private static /* synthetic */ void lambda$main$0(String s) {
        System.out.println(s);
    }
}

可以看到,在forEach()方法中,其实是调用了java.lang.invoke.LambdaMetafactory#metafactory()方法,该方法的第5个参数implMethod指定了方法实现。可以看到这里其实是调用lambda$main$0()方法进行输出。跟踪metafactory()方法(参数较多,可以跳过):

    public static CallSite metafactory(
        // 调用者(LambdaTest)可访问权限的上下文对象,JVM自动填充
        MethodHandles.Lookup caller, 
        // 要执行的方法名,即Consumer.accept(),JVM自动填充
        String invokedName,
        // 调用点预期的签名(包含目标方法参数类型String和Lambda返回类型Consumer),JVM自动填充
        MethodType invokedType,
        // 函数式接口抽象方法的签名, (Object)void,泛型String被擦出,所以是Object
        MethodType samMethodType,
        // 直接方法句柄,真正被调用的方法,即lambda$main$0,签名为MethodHandle(String)void
        MethodHandle implMethod,
        // 实例化的方法签名,即调用时动态执行的方法签名,
        // 可能与samMethodType相同,也可能包含了泛型的具体类型,比如(String)void
        MethodType instantiatedMethodType) throws LambdaConversionException {
        AbstractValidatingLambdaMetafactory mf;
        mf = new InnerClassLambdaMetafactory(caller, invokedType,
                                             invokedName, samMethodType,
                                             implMethod, instantiatedMethodType,
                                             false, EMPTY_CLASS_ARRAY, EMPTY_MT_ARRAY);
        mf.validateMetafactoryArgs();
        return mf.buildCallSite();
    }

其中new InnerClassLambdaMetafactory看起来是创建了一个Lambda相关的内部类,继续跟踪下去:

public InnerClassLambdaMetafactory(...)
            throws LambdaConversionException {
        //....
        lambdaClassName = targetClass.getName().replace('.', '/') + "$$Lambda$" + counter.incrementAndGet();
        cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
       //....
}

(省略了一部分代码。)

一看到lambdaClassName这样的变量名就知道它代表的什么意思——Lambda表达式对应的类名,而ClassWriter对象cw,暴露了Lambda表达式的底层实现机制:ASM技术(Assembly,Java字节码操作和分析框架,用于在程序运行时动态生成和操作字节码文件)。在这个构造方法里,初始化了大量的ASM技术需要的成员变量,为后续生成字节码的相关操作完成了一系列的初始化动作。现在大致可以猜测:Lambda表达式底层是通过一个内部类来实现的,这个类由ASM技术在程序运行时动态生成,它实现了函数式接口(例如Consumer等),并重写了对应的抽象方法(如accept)。

4. 验证猜想

回到metafactory()方法中,跟踪方法结尾的返回语句mf.buildCallSite();——创建调用点,这才是重点:

	/**
     * Build the CallSite. Generate a class file which implements the functional
     * interface, define the class, if ...
     * 创建调用点。定义一个实现了函数式接口的类并生成它的类文件,
     * @return a CallSite, which, when invoked, will return an instance of the
     * functional interface
     * 返回一个调用点,当它执行的时候,将会返回一个函数式接口(Consumer)的实例
     */
    @Override
    CallSite buildCallSite() throws LambdaConversionException {
        final Class<?> innerClass = spinInnerClass();
        // 省略部分代码...
        
        try {
                Object inst = ctrs[0].newInstance();
                return new ConstantCallSite(MethodHandles.constant(samBase, inst));
            }
        // ...
    }

方法的注释非常清晰的告诉我们,这个方法在运行期会返回一个函数式接口的实例,也就是Consumer接口的匿名对象。

方法体的第一行spinInnerClass(),就使用ASM技术生成了一个Class文件,然后使用sun.misc.Unsafe将该类加载到JVM(创建并返回该类的Class对象):

   	private final ClassWriter cw;                    // ASM class writer
	/**
     * Generate a class file which implements the functional
     * interface, define and return the class.
     * 生成一个实现函数式接口的类文件,定义并返回该类的Class实例
     
     * @return a Class which implements the functional interface
     * 返回一个实现函数式接口的Class实例
     */
    private Class<?> spinInnerClass() throws LambdaConversionException {
        // ....
        // ClassWriter通过visit方法动态构造类的字节码
        cw.visit(, , lambdaClassName, null, , interfaces); // 生成接口字节码
        // ...
        for ( ; ; ) {
            cw.visitField( , , , null, null); // 生成域的字节码
        }
        generateConstructor(); // 生成构造器字节码
        // ...
        cw.visitMethod( ,  , , null, null); // 生成普通方法字节码
        // ...
        cw.visitEnd(); // end

        // Define the generated class in this VM.

        final byte[] classBytes = cw.toByteArray();
        
        // If requested, dump out to a file for debugging purposes
        if (dumper != null) { // 转储对象
            AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
                @Override
                public Void run() {
                    dumper.dumpClass(lambdaClassName, classBytes);
                    return null;
                }
            }, null,
            new FilePermission("<>", "read, write"),
            // createDirectories may need it
            new PropertyPermission("user.dir", "read"));
        }
		// 使用Unsafe对象定义并返回该内部类字节码文件对象(Class)
        return UNSAFE.defineAnonymousClass(targetClass, classBytes, null);
    }

这个方法的后半部分,if (dumper != null) 代码块给我们提供了将该内部类转储到本地磁盘用以调试的可能,在LambdaTestmain方法里里添加一行代码,将Lambda表达式对应的内部类转储到指定目录(IDEA):

System.setProperty("jdk.internal.lambda.dumpProxyClasses", "out/production/");

程序运行之后,会将Lambda表达式对应的内部类文件生成出来com.boxuegu.intermediate.language.sugar.lambda.LambdaTest$$Lambda$1

反编译这个类,代码如下:

import java.lang.invoke.LambdaForm;
import java.util.function.Consumer;

final class LambdaTest$$Lambda$1
implements Consumer { // 实现函数式接口
    private LambdaTest$$Lambda$1() {
    }

    @LambdaForm.Hidden
    public void accept(Object object) { // 重写抽象方法
        LambdaTest.lambda$main$0((String)object);
    }
}

Bingo!

现在我们初步得到了一些结论:

  1. Lambda表达式底层是用内部类来实现的
  2. 该内部类实现了*某个(根据Lambda所属的代码指定)*函数式接口,并重写了该接口的抽象方法
  3. 该内部类是在程序运行时使用ASM技术动态生成的,所以编译期没有对应的.class文件,但是我们可以通过设置系统属性将该内部类文件转储出来

5. Lambda表达式编译和运行过程

至此,我们只窥视了Lambda表达式底层实现的冰山一角。接下来会有一堆概念和过程,慎入!

  1. Java7在JSR(Java Specification Requests,Java 规范提案) 292中增加了对动态类型语言的支持,使得Java也可以像C语言那样将方法作为参数传递,其实现在java.lang.invoke包中。它的核心就是invokedynamic指令,为后面函数式编程响应式编程提供了前置支持。
  2. invokedynamic指令对应的执行方法会关联到一个动态调用点对象(java.lang.invoke.CallSite),一个调用点(call site)是一个方法句柄(method handle,调用点的目标)的持有者,这个调用点对象会指向一个具体的引导方法(bootstrap method,比如metafactory()),引导方法成功调用之后,调用点的目标将会与它持有的方法句柄的引用永久绑定,最终得到一个实现了函数式接口(比如Consumer)的对象。
  3. Lambda表达式在编译期进行脱糖(desugar),它的主体部分会被转换成一个脱糖方法(desugared method,即lambda$main$0),这是一个合成方法,如果Lambda没有用到外部变量,则是一个私有的静态方法,否则将是个私有的实例方法——synthetic 表示不在源码中显示,并在Lambda所属的方法(比如main方法)中生成invokedynamic指令。
  4. 进入运行期invokedynamic指令会调用引导方法metafactory()初始化ASM生成内部类所需的各项属性,然后由spinInnerClass()方法组装内部类并用Unsafe加载到JVM,通过构造方法实例化内部类的实例(Lambda的实现内部类的构造是私有的,需要手动设置可访问属性为true),最后绑定到方法句柄,完成调用点的创建。
  5. 你可以把调用点看成是函数式接口(例如Consumer等)的匿名对象,当然,内部类是确实存在的——比如final class LambdaTest$$Lambda$1 implements Consumer。值得注意的是,内部类的实现方法里并没有Lambda表达式的任何操作,它不过是调用了脱糖后定义在调用点目标类(targetClass,即LambdaTest类)中的合成方法(即lambda$main$0)而已,这样做使得内部类的代码量尽可能的减少,降低内存占用,对效率的提升更加稳定和可控。

6. Lambda表达式的语法糖结论

Lambda表达式在编译期脱去糖衣语法,生成了一个“合成方法”,在运行期,invokedynamic指令通过引导方法创建调用点,过程中生成一个实现了函数式接口的内部类并返回它的对象,最终通过调用点所持有的方法句柄完成对合成方法的调用,实现具体的功能。

Lambda表达式是一个语法糖,但远远不止是一个语法糖。

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{
    voidprint(Stringstr);
}

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. 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:

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。

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。

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);
    }
}

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

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

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

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
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

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

Stream流

1.引言

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。

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 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),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:

  1. 将集合A根据条件一过滤为子集B
  2. 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 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 zhangList = new ArrayList<>();
        for (String name : list) {
            if (name.startsWith("张")) {
                zhangList.add(name);
            }
        }

        List 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:

  1. 首先筛选所有姓张的人;
  2. 然后筛选名字有三个字的人;
  3. 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 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!

**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。这是一种集合元素的处理方案,而方案就是一种“函数模型”。

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)。

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。

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。

1.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 list = new ArrayList<>();
        // ...
        Stream stream1 = list.stream();
        Set set = new HashSet<>();
        // ...
        Stream stream2 = set.stream();
        Vector vector = new Vector<>();
        // ...

        Stream stream3 = vector.stream();
    }
} 

2.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();
    }
} 

3.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);
    }
}

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。

备注:本小节之外的更多方法,请自行参考API文档。

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。

复习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:
import java.util.stream.Stream;
public class Demo12StreamForEach {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若");
        stream.forEach(name‐> System.out.println(name));
    }
} 

2.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

此前我们已经学习过 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:

import java.util.stream.Stream;
public class Demo07StreamFilter {
    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。

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。

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

Stream流中的 map 方法基本使用的代码如:

import java.util.stream.Stream;
public class Demo08StreamMap {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> original = Stream.of("10", "12", "18");
        Stream<Integer> result = original.map(str‐>Integer.parseInt(str));
    }
} 

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.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:

import java.util.stream.Stream;
public class Demo09StreamCount {
    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()); // 2
    }
} 

5.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:

import java.util.stream.Stream;
public class Demo10StreamLimit {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若");
        Stream<String> result = original.limit(2);
        System.out.println(result.count()); // 2
    }
} 

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:

import java.util.stream.Stream;
public class Demo11StreamSkip {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> original = Stream.of("张无忌", "张三丰", "周芷若");
        Stream<String> result = original.skip(2);
        System.out.println(result.count()); // 1
    }
} 

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:

import java.util.stream.Stream;
public class Demo12StreamConcat {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> streamA = Stream.of("张无忌");
        Stream<String> streamB = Stream.of("张翠山");
        Stream<String> result = Stream.concat(streamA, streamB);
    }
} 

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