Java 从版本8开始支持“Stream API”，即函数式编程，可以用简单的代码表达出比较复杂的遍历操作。本文介绍这些 Stream API 的基本概念，用法，以及一些参考资料。我之前写 Python 比较多，所以一些地方可能用 Python 的视角来解释。

简单用法

这些函数和 Python 的 filter map sort 很像了，所以很容看懂。就是先过滤出以 "b" 开头的字符串，然后用 map 转换成大写的方式，排序之后，输出。

Stream API 中有一个概念，将这些 API 分成了两种：

1. 中间结果（intermediate）：像 filter map sorted 的结果都是中间结果，可以继续使用 Stream API 连续调用；
2. 最终结果（terminal）：类似 forEach ，这种 API 将会终止 Stream 的调用，它们的结果要么是 void ，要么是一个非 Stream 结果。

连续调用 Stream 的方式叫做  operation pipeline。所有的 Stream API 可以参考这个 javadoc。

大多数的 Stream 操作都接收一个 lambda 表达式作为参数，Lambda 表达式描述了 Stream 操作的一个具体行为，通常都是 stateless 和 non-interfering 的。

Non-interfering 意味着它不会修改原始的数据，比如上面的例子，没有操作去动 myList，迭代结束之后，myList 还是保持着原来的样子。

Stateless 意味着操作都是确定的，没有依赖外面的变量（导致可能在执行期间改变）。

不同类型的 Stream 操作

Stream 可以从不同的数据类型创建，尤其是集合（Collections）。

List 和 Set 支持 stream() 方法和 parallelStream() 方法，parallenStream() 可以在多线程中执行。

在 List 上调用 stream()可以创建一个 Stream 对象。

但是我们不必专门为了创建 Stream 对象而创建一个集合：

Stream.of() 可以从一些对象引用中自动创建一个 Stream。

除了从对象创建 Stream，Java8 还提供了方法从基本类型创建 Stream，比如int long double，这些方法分别是 IntStream LongStream DoubleStream.

IntStream 可以用来替代 for 循环：

基本类型的 Stream 和普通的 Stream 对象基本一样，几点区别如下：

1. 基本类型使用特殊的 lambda 表达式，比如 IntFunction 之于 Function , IntPredicate 之于 Predicate;
2. 基本类型支持一些特殊的“最终结果API”，比如 sum() average()；

有时候，我们想把普通的 Stream 转换成原始类型的 Stream，比如我们想用 max() ，这时可以使用转换的方法 mapToInt() mapToLong() mapToDouble():

原始类型可以通过 mapToObject 方法，将原始类型的 Stream 转换成普通的 Stream 对象。

下面这个例子结合了普通的 Stream 和原始类型的 Stream：

执行顺序

前面介绍了 Stream 的基本概念，下面开始深入原理。

产生中间结果的 Stream 一个比较重要的特性是，它是惰性的。下面这个例子，我们只有中间结果，没有最终结果的 Stream，最终 println 不会被执行。

因为 Stream 操作是惰性的，只有用到的时候才会真正执行。

如果我们在后面加上一个终止类型的 Stream 操作，println 就会执行了。

这段代码的输出如下：

注意从输出的顺序也可以看到“惰性执行”的特征：并不是所有的 filter 都打印出来，再打印出来 forEeach。而是一个元素执行到底，再去执行下一个元素。

这样可以减少执行的次数。参考下面这个例子：

anyMatch 会在找到第一个符合条件的元素就返回。这样我们并不需要对有的元素执行 map ，在第一个 anyMatch 返回 true 之后，执行就结束了。所以前面的中间状态 Stream 操作，会执行尽可能少的次数。

执行的顺序很重要（Stream 的优化）

下面这个例子，我们用了两个生成中间结果的 Stream 操作 map filter，和一个最终结果的操作 forEach 。

map filter 各执行了5次，forEach 执行了1次。

如果我们在这里稍微改变一下顺序，将 filter 提前执行，可以将 map 的执行次数减少到1次。（有点像 SQL 优化）

现在 map 只执行一次了，在操作很大的集合的时候非常有用。

下面我们引入一下 sorted 这个操作：

排序是一个特殊的中间操作，是一个 stateful 的操作。因为需要原地排序。

输出如下：

排序操作会在整个集合上执行。所以和之前的“垂直”执行不同，排序操作是水平执行的。注意排序影响的只是后面的 Stream 操作，对于原来的集合，顺序依然是不变的。参考这段代码：

输出如下（注意原来的 foo 并没有变化）：

Sort 也有惰性执行的特性，如果我们改变一下上面那个例子的执行顺序：

可以发现 sorted 不会执行，因为 filter 只产生了一个元素。

Stream 的重用

Java8 的 Stream 是不支持重用的。一旦调用了终止类型的 Stream 操作，Stream 会被 close。

在同一个 Stream 上，先调用 noneMatch 再调用 anyMatch 会看到以下异常：

所以，我们必须为每一个终止类型的 Stream 操作创建一个新的 Stream。可以用 Stream Supplier 来实现。

每次调用 get() 都会得到一个新的 Stream。

高级操作

Stream 支持的操作很多（不像Python的函数式编程只支持4个）。我们已经见过了最常用的 filter 和 map。其他的操作读者可以自行阅读 Stream 文档。这里，我们再试一下几个复杂的操作：collect flatMap reduce.

下面的例子都会使用一个 Person 的 List 来演示。

Collect

Collect 是很有用的一个终止类型的 Stream 操作，可以将 Stream 转换成集合结果，比如 List Set Map 。Collect 接收一个 Collector 作为参数，Collector 需要支持4种操作：

1. supplier
2. accumulator
3. combiner
4. finisher

听起来实现很复杂，但是好处是 Java8 已经内置了常用的 Collector，所以大多数情况下我们不需要自己实现。

下面看一个常用的操作：

可以看到这个 Stream 操作最后构建了一个 List，如果需要 Set 的话只需要将 toList() 换成 toSet()。

接下来这个例子，将对象按照属性存放到 Map 中。

Collectors 非常实用，还可以对 Stream 进行聚合，比如计算所有 Person 的平均年龄：

如果需要更全面的统计数据，可以试一下 summarizing Collector，这个内置的 Collector 提供了 count, sum, min, max 等有用的数据。

下面这个例子，将所有的对象 join 成一个 String：

Join Collector 的参数是一个分隔符，一个可选的前缀和后缀。

将 Stream 元素转换成 map 的时候，需要特别注意：key 必须是唯一的，否则会抛出 IllegalStateException 。但是我们可以传入一个 merge function，来指定重复的元素映射的方式：

最后，来尝试一下实现自己的 Collector。前面已经提到过，实现一个 Collector，我们需要提供4个东西：supplier,accumulator,combiner,finisher.

下面这个 Collector 将所有的 Person 对象转换成一个字符串，名字全部大写，中间用 | 分割。

Java 的 String 是不可修改的，所以这里需要一个 helper class StringJoiner，来构建最终的 String。

1. 首先 supplier 构建了一个 StringJoiner，以 | 作为分隔符；
2. 然后 accumulator 将每个 Person 的 name 转换成大写；
3. combiner 将2个 StringJoiners 合并成1个；
4. 最后 finisher 从 StringJoiner 构建最终的 String。

FlatMap

前面我们演示了如何用 map 将一种类型的对象转换成另一种类型。但是 map 也有一些限制：一个对象只能转换成一个对象，如果需要将一个对象转换成多个就不行了。所以还有一个 flatMap 。

FlatMap 可以将 Stream 中的每一个对象转换成0个，1个或多个。无论产生多少对象，最终都会放到同一个 Stream 中，供后面的操作消费。

下面演示 flatMap 的功能，我们需要一个有继承关系的类型：

下面，我们使用 Stream 来初始化多个几个对象：

现在我们生成了一个 List，包含3个 foo，每个 foo 中包含3个 bar.

FlatMap 接收一个方法，返回一个 Stream，可以包含任意个 Objects. 所以我们可以用这个方法得到 foo 中的每一个 bar：

上面这个代码将 foo 的 Stream 转换成了包含 9 个 bar 的 Stream。

上面所有的代码也可以简化到一个 Stream 操作中：

在 flatMap 中也可以用 Optional 对象，Optional 是 Java8 引入的，可以检查 null 的一种机制。结合 Optional 和 flatMap 我们可以相对优雅地处理 null ，考虑下面这种数据结构：

为了正确地得到 Inner 中的 foo String，我们要这么写：

用 flatMap 的话，我们可以这么写：

每一个 flatMap 都用 Optional 封装，如果不是空，就返回里面的对象，如果是空的话就返回一个 null .

Reduce

Reduce 操作可以将所有的元素编程一个结果。Java8 支持3种不同的 reduce 方法。

第一种可以将 Stream 中的元素聚合成一个。比如下面的代码，可以找到 Stream 中年龄最大的 Person.

reduce 方法接收一个二元函数（一个只有两个参数的函数）作为参数，返回一个对象。（所以叫做 reduce）

第二种 reduce 接收一个初始对象，和一个二元函数。通常可以用于聚合操作（比如累加）。

第三种 reduce 方法接收3个参数：一个初始化对象，一个二元函数，和一个 combiner 函数。

初始化值并不一定是 Stream 中的对象，所以我们可以直接用一个整数。

结果依然是 76，那么原理是什么呢？我们可以打印出来执行过程：

可以看到 accumulator 做了所有的工作，将所有的年龄和初始化的 int 值 0 相加。但是 combiner 没有执行？

我们将 Stream 换成 parallelStream 再来看一下：

这次 combiner 执行了。并发执行的 Stream 有不同的行为。Accumulator 是并发执行的，所以需要一个 combiner 将所有的并发得到的结果再聚合起来。

下面来看一下 Parallel Stream。

Parallel Stream

因为 Stream 中每一个元素都是单独执行的，可想而知，如果并行计算每一个元素的话，可以提升性能。Parallel Stream 就是适用这种场景的。Parallel Stream 使用公共的 ForkJoinPool 来并行计算。底层的真正的线程数据取决于 CPU 的核数，默认是3.

这个值可以通过 JVM 参数修改：

Collections 可以通过 parallelStream() 来创建一个并行执行的 Stream，可以在普通的 Stream 上执行 parallel() 来转换成并行执行的 Stream。

下面这个例子，将并行执行的每一步的线程执行者打印出来：

输出如下，展示了每一步都是由哪一个线程来执行的：

从上面的结果页可以看出，所有的 ForkJoinPool 中的线程都参与了计算。

如果在上面的例子中加入一个 sort 操作，结果就有些不同了：

结果如下：

看起来 sort 好像是顺序执行的。实际上，sort 使用的是 Java8 的 Arrays.parallelSort() 方法，文档里提到，这里的排序是否真正的并行执行取决于数组的长度，如果长的话就会用并行排序，否则就用单线程排序：

If the length of the specified array is less than the minimum granularity, then it is sorted using the appropriate Arrays.sort method.

 

回到之前的 reduce 方法，我们知道 combiner 只会在并行的时候执行，现在来看一下这个方法到底是做什么的：

可以看到 accumulator 和 combiner 都使用了多线程来运行：

综上，在数据量很大的时候，并行执行的 Stream 可以带来很大的性能提升。但是注意像 reduce 和 collect 这样的操作，需要特殊的 combiner。（因为前一操作产生的类型不同，需要做聚合，所以无法和迁移操作的函数一样，需要另外提供）。

另外要注意的是，Parallel Stream 底层使用的通用的 ForkJoinPool ，所以需要注意不要在并行的 Stream 中出现很慢或阻塞的操作，这样会影响其他并行任务。

 

以上就是基本的 Stream API 介绍了，强烈建议阅读 Java8 的官方文档。

参考资料：

1. package summary
2. Document
3. Toturial
4. Java 8 Stream Tutorial
5. Collection Pipeline by Martin Fowler
6. Stream.js Javascript 版的 Java Stream API