深入理解Java Stream

Java 8引入的Stream API是一個功能強大、靈活且可組合的流處理模式，它允許我們以一種比傳統的for循環更簡潔、更易於閱讀和管理的方式處理數據。Stream API基於Lambda表達式和方法引用實現了一種函數式編程樣式，可以將我們的程序從特定的實現中解耦出來。本篇文章將介紹Java Stream的用法和特性，旨在幫助讀者更好地掌握和運用Java Stream。

一、生成Stream

Stream可以從數組、集合、文件、網路、任何對象等多種數據源生成，我們可以使用Stream的靜態方法創建Stream、或者將已有的Stream處理成新的Stream，這些靜態方法包括：

Stream.of(T...)
Stream.empty()
Arrays.stream(T[])
Collection.stream()

其中，Stream.of()用於將數組或任意個數的元素轉換為Stream；Stream.empty()用於生成空的Stream；Arrays.stream()用於將數組轉換為Stream；Collection.stream()用於將Collection轉換為Stream。

二、Stream的操作

1. 中間操作

中間操作是指返回Stream類型的操作，可以被其他Stream操作鏈式調用，例如filter()、map()、sorted()、distinct()等。這些操作可以串接使用，我們可以在一個Stream上執行多個中間操作，以構建出一個複雜邏輯的數據流處理鏈。

1.1 filter()

filter()方法用於排除不符合條件的元素，該方法需要傳入一個Predicate類型的Lambda表達式，該表達式接受一個參數，並返回一個boolean類型的結果，如果結果為true，則保留該元素；如果為false，則排除該元素。例如，篩選出一個整數集合中所有大於等於5的元素：

IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10)
    .filter(num -> num >= 5)
    .forEach(System.out::println);

該代碼會輸出：

5
6
7
8
9
10

1.2 map()

map()方法用於將一個元素轉換為另一個類型的元素，它需要傳入一個Function類型的Lambda表達式，該表達式接受一個參數，並返回一個處理後的結果。例如，將一個字元串集合中所有的字元串轉換為大寫格式：

List list = Arrays.asList("apple", "banana", "orange");
list.stream()
    .map(String::toUpperCase)
    .forEach(System.out::println);

該代碼會輸出：

APPLE
BANANA
ORANGE

1.3 flatMap()

flatMap()方法可以將一個Stream中的每個對象分解為多個Stream，最後將多個Stream合成一個Stream並返回。flatMap()方法需要傳入一個Function類型的Lambda表達式，該表達式接受一個參數，並返回一個Stream類型的結果。例如，取出一個集合中所有字元串的單詞，並將其輸出：

List list = Arrays.asList("Hello World", "Stream API");
list.stream()
    .flatMap(str -> Stream.of(str.split(" ")))
    .forEach(System.out::println);

該代碼會輸出：

Hello
World
Stream
API

1.4 distinct()

distinct()方法用於去重，它返回一個去除了重複元素的新Stream。如果集合元素沒有重寫equals()和hashCode()方法，則該方法只能使用在基本類型Stream上。例如，去除一組數字中的重複元素：

IntStream.of(1, 2, 3, 3, 4, 4, 5, 6, 6, 7, 8, 8)
    .distinct()
    .forEach(System.out::println);

該代碼會輸出：

1
2
3
4
5
6
7
8

1.5 sorted()

sorted()方法用於對Stream中的元素進行排序，排序時可以自定義排序規則，排序最終會返回一個新的Stream。例如，對一組數字進行排序：

IntStream.of(4, 2, 5, 1, 6, 3)
    .sorted()
    .forEach(System.out::println);

該代碼會輸出：

1
2
3
4
5
6

2. 終止操作

終止操作是指返回非Stream類型的操作，它們將Stream管道處理後的結果輸出或返回。在一個Stream管道中，只有一個終止操作才會觸發流動處理，終止操作是Stream管道處理的必要環節。終止操作包括：

• forEach()
• count()
• findFirst()
• reduce()
• toArray()
• collect()

2.1 forEach()

forEach()方法用於遍歷Stream中的元素，它會接收一個Consumer類型的Lambda表達式作為參數，該表達式接受一個參數，並沒有返回值。例如，遍歷一個整數集合併輸出其平方：

IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5)
    .forEach(num -> System.out.println(num * num));

該代碼會輸出：

1
4
9
16
25

2.2 count()

count()方法用於計算Stream中元素的個數，返回一個long類型的結果。例如，計算一組數字的個數：

long count = IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5).count();
System.out.println("count: " + count);

該代碼將輸出：

count: 5

2.3 findFirst()

findFirst()方法用於查找Stream中第一個符合條件的元素，返回一個Optional類型的結果。例如，查找一組字元串中第一個以大寫字母開頭的元素：

List list = Arrays.asList("a", "b", "C", "d");
Optional firstUpper = list.stream().filter(str -> Character.isUpperCase(str.charAt(0))).findFirst();
System.out.println("first upper: " + firstUpper.orElse("not found"));

該代碼將輸出：

first upper: C

2.4 reduce()

reduce()方法用於對Stream中的所有元素進行「累加」處理，並返回處理結果。reduce()方法需要傳入兩個參數，第一個參數是初始值，第二個參數是一個BinaryOperator類型的Lambda表達式，該表達式接收兩個同類型的參數，並返回一個同類型的結果。例如，計算一組數字的和：

int sum = IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5).reduce(0, (a, b) -> a + b);
System.out.println("sum: " + sum);

該代碼將輸出：

sum: 15

2.5 toArray()

toArray()方法用於將Stream生成一個數組，返回一個T[]類型的結果。例如，將集合中所有的元素保存到數組中：

List list = Arrays.asList("a", "b", "c");
String[] arr = list.stream().toArray(String[]::new);
System.out.println("array: " + Arrays.toString(arr));

該代碼將輸出：

array: [a, b, c]

2.6 collect()

collect()方法是非常重要的一個操作，它可以將Stream中的所有元素按照指定的方式收集起來，可以選取任何類型的集合、Map、數組，或者自定義的Collector進行收集操作。例如，將一組字元串拼接為一個字元串：

List list = Arrays.asList("a", "b", "c");
String str = list.stream().collect(Collectors.joining("-"));
System.out.println("merged string: " + str);

該代碼將輸出：

merged string: a-b-c

三、並行處理與性能

Stream API支持並行處理，可以讓程序利用多核CPU的優勢，提高數據處理性能。我們可以通過parallel()方法將一個Stream切換為並行流，或者通過sequential()方法將並行流切換為順序流。例如，計算一組整數的平方和：

long start = System.currentTimeMillis();
int result = IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10)
                      .parallel() // 切換為並行流
                      .map(num -> num * num)
                      .reduce(0, (a, b) -> a + b);
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("result: " + result);
System.out.println("time used: " + (end - start) + "ms");

該代碼將輸出：

result: 385
time used: 11ms

當然，並不是所有情況都適合使用並行流，可能會存在以下問題：

• 數據量較小：並行流的創建和銷毀需要一定的時間，當數據量很小時，順序流可能會更快。
• 有些操作不適合併行處理：例如排序和去重。
• 有些操作需要先完成一部分才能進行下一步操作：例如findFirst()。

四、結束語

Java Stream API是Java 8引入的重要特性之一，雖然Stream看起來很複雜，但實際上它是與函數式編程思想一脈相承的，它可以幫助我們更好地編寫與數據處理相關的代碼。本文介紹了Stream的基本用法、操作類型和並行處理特性，希望能夠幫助讀者更好地掌握和運用Java Stream API。