Java基础学习16:【方法引用、Stream流】

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所属分类:Java Java基础

主要内容

  • 方法引用
  • Stream流

教学目标

  • [ ] 能够使用方法引用的常见引用方式
  • [ ] 能够理解流与集合相比的优点
  • [ ] 能够通过集合、映射或数组方式获取流
  • [ ] 能够掌握常用的流操作
  • [ ] 能够将流中的内容收集到集合中
  • [ ] 能够将流中的内容收集到数组中

第一章 方法引用

1.1 概述

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?

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 , 在accept方法中接收字符串 , 目的就是为了打印显示字符串 , 那么通过Lambda来使用它的代码很简单:

public class DemoPrintSimple {
    private static void printString(Consumer<String> data, String str) {
        data.accept(str);
    }
    public static void main(String[] args) {
          printString(s -> System.out.println(s), "Hello World");
    }
}

由于lambda表达式中,调用了已经实现的println方法 ,可以使用方法引用替代lambda表达式.

方法引用简化

只要“引用”过去就好了:

public class DemoPrintRef {
    private static void printString(Consumer<String> data, String str) {
        data.accept(str);
    }
    public static void main(String[] args) {
          printString(System.out::println, "HelloWorld");
    }
}

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。

1.2 方法引用符

符号表示 : ::

符号说明 : 双冒号为方法引用运算符,而它所在的表达式被称为方法引用

应用场景 : 如果Lambda要表达的函数方案 , 已经存在于某个方法的实现中,那么则可以使用方法引用。

如上例中,System.out对象中有个println(String)方法 , 恰好就是我们所需要的 , 那么对于Consumer接口作为参数,对比下面两种写法,完全等效:

1. Lambda表达式写法:s -> System.out.println(s);
拿到参数之后经Lambda之手,继而传递给System.out.println方法去处理。

2. 方法引用写法:System.out::println
直接让System.out中的println方法来取代Lambda。

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的简化形式。

1.3 常见引用方式

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,则可以通过对象名引用成员方法,代码为:

public class DemoMethodRef {
     public static void main(String[] args) {
        String str = "hello";
        printUP(str::toUpperCase);
    }
    public static void printUP(Supplier< String> sup ){
        String apply =sup.get();
        System.out.println(apply);
    }
}

类名–引用静态方法

由于在java.lang.Math类中已经存在了静态方法random,所以当我们需要通过Lambda来调用该方法时,可以使用方法引用 , 写法是:

public class DemoMethodRef {
  public static void main(String[] args) {
        printRanNum(Math::random);
    }
    public static void printRanNum(Supplier<Double> sup ){
        Double apply =sup.get();
        System.out.println(apply);
    }
}

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

类–构造引用

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:

public class Person {
    private String name;
    public Person(String name) {
          this.name = name;
    }
    public String getName() {
          return name;
    }
}

要使用这个函数式接口,可以通过方法引用传递:

public class Demo09Lambda {
    public static void main(String[] args) {
        String name = "tom";
        Person person = createPerson(Person::new, name);
        System.out.println(person);
    }
    public static Person createPerson(Function<String, Person> fun , String name){
        Person p = fun.apply(name);
        return p;
    }
}

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

数组–构造引用

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:

在应用该接口的时候,可以通过方法引用传递:

public class Demo11ArrayInitRef {   
   public static void main(String[] args) {
        int[] array = createArray(int[]::new, 3);
        System.out.println(array.length);
    }
    public static int[] createArray(Function<Integer , int[]> fun , int n){
        int[] p = fun.apply(n);
        return p;
    }
}

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

注意 : 
方法引用是对Lambda表达式符合特定情况下的一种缩写,它使得我们的Lambda表达式更加的精简,也可以理解为Lambda表达式的缩写形式 , 同学们可以尝试着 , 将之前使用lambda的地方 , 改写成方法引用的形式 ,不过要注意的是方法引用只能”引用”已经存在的方法!

第二章 Stream

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。

2.1 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:

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 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:

public class Demo02NormalFilter {
      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<String> zhangList = new ArrayList<>();
        for (String name : list) {
            if (name.startsWith("张")) {
                  zhangList.add(name);
            }
        }
        List<String> 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:

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。

2.2 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。

Java基础学习16:【方法引用、Stream流】

这张图中展示了过滤、映射、跳过、计数等多步操作,这是一种集合元素的处理方案,而方案就是一种“函数模型”。图中的每一个方框都是一个“流”,调用指定的方法,可以从一个流模型转换为另一个流模型。而最右侧的数字3是最终结果。

这里的filtermapskip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)。

2.3 获取流方式

java.util.stream.Stream<T>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。

方式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<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();
    }
}

方式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();
    }
}

方式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。

2.4 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:

  • 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countforEach方法。
  • 非终结方法: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,其余方法均为非终结方法。)

备注:本小节之外的更多方法,请自行参考API文档。

forEach : 逐一处理

虽然方法名字叫forEach,但是与for循环中的“for-each”昵称不同,该方法并不保证元素的逐一消费动作在流中是被有序执行的

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。例如:

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(System.out::println);
    }
}

在这里,方法引用System.out::println就是一个Consumer函数式接口的示例。

count:统计个数

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:

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
    }
}

filter:过滤

可以通过filter方法将一个流转换成另一个子集流。方法声明:

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。

基本使用

Stream流中的filter方法基本使用的代码如:

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。

limit:取用前几个

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
    }
}

skip:跳过前几个

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
    }
}

map:映射

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。

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(Integer::parseInt);
    }
}

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)。

concat:组合

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);
    }
}

2.5 Stream综合案例

现在有两个ArrayList集合存储队伍当中的多个成员姓名,要求使用传统的for循环(或增强for循环)依次进行以下若干操作步骤:

  1. 第一个队伍只要名字为3个字的成员姓名;
  2. 第一个队伍筛选之后只要前3个人;
  3. 第二个队伍只要姓张的成员姓名;
  4. 第二个队伍筛选之后不要前2个人;
  5. 将两个队伍合并为一个队伍;
  6. 根据姓名创建Person对象;
  7. 打印整个队伍的Person对象信息。

两个队伍(集合)的代码如下:

public class DemoArrayListNames {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> one = new ArrayList<>();
        one.add("迪丽热巴");
        one.add("宋远桥");
        one.add("苏星河");
        one.add("老子");
        one.add("庄子");
        one.add("孙子");
        one.add("洪七公");
        List<String> two = new ArrayList<>();
        two.add("古力娜扎");
        two.add("张无忌");
        two.add("张三丰");
        two.add("赵丽颖");
        two.add("张二狗");
        two.add("张天爱");
        two.add("张三");
        // ....
    }
}

Person类的代码为:

public class Person {
    private String name;
    public Person() {}
    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{name='" + name + "'}";
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

传统方式

使用for循环 , 示例代码:

public class DemoArrayListNames {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> one = new ArrayList<>();
        // ...
        List<String> two = new ArrayList<>();
        // ...
        // 第一个队伍只要名字为3个字的成员姓名;
        List<String> oneA = new ArrayList<>();
        for (String name : one) {
            if (name.length() == 3) {
                oneA.add(name);
            }
        }
        // 第一个队伍筛选之后只要前3个人;
        List<String> oneB = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            oneB.add(oneA.get(i));
        }
        // 第二个队伍只要姓张的成员姓名;
        List<String> twoA = new ArrayList<>();
        for (String name : two) {
            if (name.startsWith("张")) {
                twoA.add(name);
            }
        }
        // 第二个队伍筛选之后不要前2个人;
        List<String> twoB = new ArrayList<>();
        for (int i = 2; i < twoA.size(); i++) {
            twoB.add(twoA.get(i));
        }
        // 将两个队伍合并为一个队伍;
        List<String> totalNames = new ArrayList<>();
        totalNames.addAll(oneB);
        totalNames.addAll(twoB);
        // 根据姓名创建Person对象;
        List<Person> totalPersonList = new ArrayList<>();
        for (String name : totalNames) {
            totalPersonList.add(new Person(name));
        }
        // 打印整个队伍的Person对象信息。
        for (Person person : totalPersonList) {
            System.out.println(person);
        }
    }
}

运行结果为:

Person{name='宋远桥'}
Person{name='苏星河'}
Person{name='洪七公'}
Person{name='张二狗'}
Person{name='张天爱'}
Person{name='张三'}

Stream方式

等效的Stream流式处理代码为:

public class DemoStreamNames {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> one = new ArrayList<>();
        // ...
        List<String> two = new ArrayList<>();
        // ...
        // 第一个队伍只要名字为3个字的成员姓名;
        // 第一个队伍筛选之后只要前3个人;
        Stream<String> streamOne = one.stream().filter(s -> s.length() == 3).limit(3);
        // 第二个队伍只要姓张的成员姓名;
        // 第二个队伍筛选之后不要前2个人;
        Stream<String> streamTwo = two.stream().filter(s -> s.startsWith("张")).skip(2);
        // 将两个队伍合并为一个队伍;
        // 根据姓名创建Person对象;
        // 打印整个队伍的Person对象信息。
        Stream.concat(streamOne, streamTwo).map(Person::new).forEach(System.out::println);
    }
}

运行效果完全一样:

Person{name='宋远桥'}
Person{name='苏星河'}
Person{name='洪七公'}
Person{name='张二狗'}
Person{name='张天爱'}
Person{name='张三'}

2.6 函数拼接与终结方法[了解]

在上述介绍的各种方法中,凡是返回值仍然为Stream接口的为函数拼接方法,它们支持链式调用;而返回值不再为Stream接口的为终结方法,不再支持链式调用。如下表所示:

Java基础学习16:【方法引用、Stream流】

2.7 收集Stream结果

对流操作完成之后,如果需要将其结果进行收集,例如获取对应的集合、数组等,如何操作?

收集到集合中

Stream流提供collect方法,其参数需要一个java.util.stream.Collector<T,A, R>接口对象来指定收集到哪种集合中。幸运的是,java.util.stream.Collectors类提供一些方法,可以作为Collector接口的实例:

  • public static <T> Collector<T, ?, List<T>> toList():转换为List集合。
  • public static <T> Collector<T, ?, Set<T>> toSet():转换为Set集合。

下面是这两个方法的基本使用代码:

import java.util.List;
import java.util.Set;
import java.util.stream.Collectors;
import java.util.stream.Stream;
public class Demo15StreamCollect {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream = Stream.of("10", "20", "30", "40", "50");
        List<String> list = stream.collect(Collectors.toList());
        Set<String> set = stream.collect(Collectors.toSet());
    }
}

收集到数组中

Stream提供toArray方法来将结果放到一个数组中,由于泛型擦除的原因,返回值类型是Object[]的:

Object[] toArray();

其使用场景如:

import java.util.stream.Stream;
public class Demo16StreamArray {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream = Stream.of("10", "20", "30", "40", "50");
        Object[] objArray = stream.toArray();
    }
}
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