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Stream常用操作以及原理探索
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2022-07-07 09:59:29 2022-07-07
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Stream常用操作以及原理

Stream是什么?

Stream是一个高级迭代器，它不是数据结构，不能存储数据。它可以用来实现内部迭代，内部迭代相比平常的外部迭代，它可以实现并行求值（高效，外部迭代要自己定义线程池实现多线程来实现高效处理）、惰性求值（中没有终止操作，中间操作是不会执行的）、短路操作（拿到正确的结果就返回，不需要等到整个过程完成之后）等

  • Stream翻译过来的意思就是“溪流，流”的意思，而我们刚开始学习java的时候接触最多的就是IO流，它更像“农夫山泉”，“我们只做大自然的搬运工”，只是将一个文件从这个地方传到另一个地方，对于文件当中内容不做任何增删改操作，而Stream就会，也就是将要处理的数据当作流，在管道中进行传输，并在管道中的每个节点对数据进行处理，如过滤、排序、转换等；
  • 通常我们需要处理的数据是以Collection、Array等数据来源；
  • Stream它是Java8中的一个新特性，那关于Java8中的其他新特性内容可以参考这篇文章《Java8新特性实战》；
  • 那既然是Java8的新特性，而且我们也知道Java8大改动之一的就是增加了函数式编程，而Stream就主角，那有关函数式编程是什么，可以参考知乎上的一篇文章《什么是函数式编程？》；
  • 既然是函数式编程，所以通常是配合Lambda表达式使用；

Stream怎么用？

所有操作分类

首先Stream的所有操作可分为两类，一是中间操作，二是终止操作

中间操作：中间操作只是一种标记，只有结束操作才会触发实际计算

  • 无状态：指元素的处理不受前面元素的影响；
  • 有状态：有状态的中间操作必须等到所有元素处理之后才知道最终结果，比如排序是有状态操作，在读取所有元素之前并不能确定排序结果。

终止操作：顾名思义，就是得出最后计算结果的操作

  • 短路操作：指不用处理全部元素就可以返回结果；
  • 非短路操作：指必须处理所有元素才能得到最终结果。

    此外这里我看到有的地方将collect定义为了中间操作，但通过我看了大部分对Stream的介绍，发现Collect这个收集操作是最终止操作，毕竟这也符合我们平时所用到它的场景，所以还请加以辨别有的文章中提到的collect是中间操作的错误解释。

常用操作

以下两张图是对stream的常用操作做了一个简单使用案例，原本流程图在这Java8新特性

image-20220624190633854

image-20220624190537640

那至于常用操作这块，本次博客也不在进行过多的细说，因为网上有很多这种使用类型的文章，我常看的有这三篇文章：

为什么使用Stream？

声明式处理数据

第一个原因我觉得是Stream流可以以声明式的方式去处理数据，也就是像它其中就有filter、sort这种以及写好的操作，只需要拿来使用即可，如果我们平时使用for循环，还要在for循环中自己去写怎么过滤的这些操作，最后才得出自己想要的结果，对比这种命令式的操作

可以说让我们代码更加干净、简洁。

对比for循环

对于与for循环效率的对比，我觉得和以下内容差不多，但搜寻网上资料来证明某一观点正确的我目前没有找到，很多人持有观点就是“牺牲代码效率来换取代码简洁度”，“Stream的优势在于有并行处理”，“Stream的效率与for差不多，为了代码简洁更偏向Stream”等。

但是牺牲代码效率换代码简洁度我觉得还是有问题的，不能一概而论。但是函数式编程的优点就是代码简洁，多核友好并行处理这是不可否认的。

针对不同的数据结构，Stream流的执行效率是不一样的 针对不同的数据源，Stream流的执行效率也是不一样的 对于简单的数字(list-Int)遍历，普通for循环效率的确比Stream串行流执行效率高（1.5-2.5倍）。但是Stream流可以利用并行执行的方式发挥CPU的多核优势,因此并行流计算执行效率高于for循环。 对于list-Object类型的数据遍历，普通for循环和Stream串行流比也没有任何优势可言，更不用提Stream并行流计算。 虽然在不同的场景、不同的数据结构、不同的硬件环境下。Stream流与for循环性能测试结果差异较大，甚至发生逆转。但是总体上而言： Stream并行流计算 >> 普通for循环 ~= Stream串行流计算 (之所以用两个大于号，你细品) 数据容量越大，Stream流的执行效率越高。 Stream并行流计算通常能够比较好的利用CPU的多核优势。CPU核心越多，Stream并行流计算效率越高。 如果数据在1万以内的话，for循环效率高于foreach和stream；如果数据量在10万的时候，stream效率最高，其次是foreach,最后是for。另外需要注意的是如果数据达到100万的话，parallelStream异步并行处理效率最高，高于foreach和for

处理集合数据

Stream可以说是Java8中对于处理集合的抽象概念，所以我们经常对集合中的数据采用像SQL这种类似方式去处理；所以经常会用Stream进行遍历操作，那相较于我们以前写的嵌套for循环可以说是代码更加的简洁，更直观易读。当然循环只是循环，而Stream是个流的形式去做处理。那如何去做迭代，那就得看看stream的原理了。

惰性计算

惰性计算我们也可以称作惰性求值或者延迟求值，这种方式在函数式编程中极为常见，也就是当计算出结果后不立马去返回值，而是在它要被用到的时候来计算；

在Stream中，我们就可以看作中间操作，比如当要对一个List集合做出Stream操作，比如filter，但是没有最终操作，它返回的还是一个Stream流。也就是我们可以看作下图这种方式。

image-20220625164918253

与Collection的不同点

从实现角度比较， Stream和Collection也有众多不同: 不存储数据。 流不是一个存储元素的数据结构。 它只是传递源(source)的数据。 功能性的(Functional in nature)。 在流上操作只是产生一个结果，不会修改源。 例如filter只是生成一个筛选后的stream，不会删除源里的元素。 延迟搜索。 许多流操作， 如filter， map等，都是延迟执行。 中间操作总是lazy的。 Stream可能是无界的。 而集合总是有界的(元素数量是有限大小)。 短路操作如limit(n) ， findFirst()可以在有限的时间内完成在无界的stream 可消费的(Consumable)。 不是太好翻译， 意思流的元素在流的声明周期内只能访问一次。 再次访问只能再重新从源中生成一个Stream

Stream原理

也许我们会觉得，Stream的实现是每一次去调用函数，它就会进行一次迭代，这肯定是不对的，这样Stream的效率是很低的。

其实事实是我们可以通过看源码来发现它是怎样迭代的，其实Stream内部是通过流水线（Pipeline）的方式来实现的，基本思想是在迭代的时候顺着流水线（Pipeline）尽可能的执行更多的操作，从而避免多次迭代。

也就是说Stream在执行中间操作时仅仅是记录，当用户调用终止操作时，会在一个迭代里将已经记录的操作顺着流水线全部执行掉。沿着这个思路，有几个问题需要解决：

  1. 用户的操作如何记录？
  2. 操作如何叠加？
  3. 叠加之后的操作如何执行？

关键问题解决

以上我们可以知道Stream的完整操作，是一个由<数据来源、操作、回调函数>组成的三元组;

此外我们还需要知道Stream的相关类与接口的继承关系。如下图:

  • 从图中可以看出我们除了基本类型以外，引用类型是通过实例化的ReferencePipeline来表示
  • 而与ReferencePipeline并行三个类是为其基本类型定制的。

image-20220625165921940

1.操作如何记录？

  • 首先JDK源码中经常会用stage（阶段）来标识一次操作。
  • 其次，Stream操作通常需要一个回调函数（Lambda表达式）

image-20220625171257401

从以上我们可以看出，当我们调用stream方法时，最终会去创建一个Head实例来表示操作头，也就是第一个stage，当调用filter()方法时则会创建中间操作实例StatelessOp（无状态），接着调用map()方法时则会创建中间操作实例StatelessOp（无状态），最后调用sort()方法时会创建最终操作实例StatefulOp（有状态），同样调用其他操作对应的方法也会生成一个ReferencePipeline实例，通过调用这一系列操作最终形成一个双向链表，即每个Stage都记录了前一个Stage和本次的操作以及回调函数。

源码：

1.调用stream，创建Head实例

image-20220625173329776

2.调用filter或map中间操作

  • 这些中间操作以及最终操作都在ReferencePipeline这个类中，它实现其元素类型的中间管道阶段或管道源阶段的抽象基类。

    下面代码逻辑就是将回调函数mapper包装到一个Sink当中。由于Stream.map()是一个无状态的中间操作，所以map()方法返回了一个StatelessOp内部类对象（一个新的Stream），调用这个新Stream的opWripSink()方法将得到一个包装了当前回调函数的Sink。 这个Sink就是下面提到的操作如何叠加方式。

image-20220625173737720

2.操作如何叠加？

从上面我们可以知道Stream通过stage来记录操作，但stage只保存当前操作，它是不知道怎么操作下一个stage，它又需要什么操作。

所以要执行的话还需要某种协议将各个stage关联起来。

JDK中就是使用Sink(我们可以称为“汇聚结点”)接口来实现的，Sink接口定义begin()、end()、cancellationRequested()、accept()四个方法，如下表所示。

方法名 作用
void begin(long size) 开始遍历元素之前调用该方法，通知Sink做好准备。
void end() 所有元素遍历完成之后调用，通知Sink没有更多的元素了。
boolean cancellationRequested() 是否可以结束操作，可以让短路操作尽早结束。
void accept(T t) 遍历元素时调用，接受一个待处理元素，并对元素进行处理。Stage把自己包含的操作和回调方法封装到该方法里，前一个Stage只需要调用当前Stage.accept(T t)方法就行了。

Sink接口注释文档：

Consumer的扩展，用于通过流管道的各个阶段传递值，具有管理大小信息、控制流等的附加方法。在第一次调用Sink上的accept()方法之前，您必须首先调用begin()方法来通知它有数据来了（可选地通知接收器有多少数据来了），并且在所有数据都发送之后，你必须调用end()方法。在调用end()之后，您不应该在没有再次调用begin() ) 的情况下调用accept() )。 Sink还提供了一种机制，通过该机制，sink 可以合作发出它不希望接收更多数据的信号（ cancellationRequested()方法），源可以在向Sink发送更多数据之前轮询该机制。
接收器可能处于以下两种状态之一：初始状态和活动状态。它从初始状态开始； begin()方法将其转换为活动状态， end()方法将其转换回初始状态，在该状态下可以重复使用。数据接受方法（如accept()仅在活动状态下有效。
API 注释：
流管道由一个源、零个或多个中间阶段（例如过滤或映射）和一个终端阶段（例如归约或 for-each）组成。具体来说，考虑管道：
 
     int longestStringLengthStartingWithA
         = strings.stream()
                  .filter(s -> s.startsWith("A"))
                  .mapToInt(String::length)
                  .max();
 
在这里，我们分为三个阶段，过滤、映射和归约。过滤阶段使用字符串并发出这些字符串的子集；映射阶段使用字符串并发出整数；归约阶段消耗这些整数并计算最大值。
Sink实例用于表示此管道的每个阶段，无论该阶段接受对象、整数、长整数还是双精度数。 Sink 具有accept(Object) 、 accept(int)等的入口点，因此我们不需要每个原始特化的专用接口。 （对于这种杂食性趋势，它可能被称为“厨房水槽”。）管道的入口点是过滤阶段的Sink ，它将一些元素“下游”发送到映射阶段的Sink ，然后将整数值向下游发送到Sink以进行缩减阶段。与给定阶段关联的Sink实现应该知道下一阶段的数据类型，并在其下游Sink上调用正确的accept方法。同样，每个阶段都必须实现与其接受的数据类型相对应的正确accept方法。
Sink.OfInt等特化子类型覆盖accept(Object)以调用accept的适当原语特化，实现Consumer的适当原语特化，并重新抽象accept的适当原语特化。
Sink.ChainedInt等链子类型不仅实现Sink.OfInt ，还维护了一个表示下游Sink的downstream字段，并实现了begin() 、 end()和cancellationRequested()方法来委托给下游Sink 。大多数中间操作的实现将使用这些链接包装器。例如，上面示例中的映射阶段如下所示：
 
     IntSink is = new Sink.ChainedReference<U>(sink) {
         public void accept(U u) {
             downstream.accept(mapper.applyAsInt(u));
         }
     };
 
在这里，我们实现Sink.ChainedReference<U> ，这意味着我们期望接收U类型的元素作为输入，并将下游接收器传递给构造函数。因为下一阶段需要接收整数，所以我们必须在向下游发送值时调用accept(int)方法。 accept()方法将映射函数从U应用到int并将结果值传递给下游Sink 。
    
interface Sink<T> extends Consumer<T> {}

从上面那张图中调用ReferencePipeline.map()的方法，我们会发现我们在创建一个ReferencePipeline实例的时候，需要重写opWrapSink方法来生成对应Sink实例。而且通过阅读源码会发现常用的操作都会创建一个ChainedReference实例；

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有了上面的协议，相邻Stage之间调用就很方便了，每个Stage都会将自己的操作封装到一个Sink里，前一个Stage只需调用后一个Stage的accept()方法即可，并不需要知道其内部是如何处理的。 当然对于有状态的操作，Sink的begin()和end()方法也是必须实现的。比如Stream.sorted()是一个有状态的中间操作，其对应的Sink.begin()方法可能创建一个乘放结果的容器，而accept()方法负责将元素添加到该容器，最后end()负责对容器进行排序。 对于短路操作，Sink.cancellationRequested()也是必须实现的，比如Stream.findFirst()是短路操作，只要找到一个元素，cancellationRequested()就应该返回true，以便调用者尽快结束查找。 Sink的四个接口方法常常相互协作，共同完成计算任务。 实际上Stream API内部实现的的本质，就是如何重载Sink的这四个接口方法

3.操作叠加后如何进行执行？

Sink完美封装了Stream每一步操作，并给出了[处理->转发]的模式来叠加操作。这一连串的齿轮已经咬合，就差最后一步拨动齿轮启动执行。是什么启动这一连串的操作呢？也许你已经想到了启动的原始动力就是结束操作(Terminal Operation)，一旦调用某个结束操作，就会触发整个流水线的执行。 结束操作之后不能再有别的操作，所以结束操作不会创建新的流水线阶段(Stage)，直观的说就是流水线的链表不会在往后延伸了。结束操作会创建一个包装了自己操作的Sink，这也是流水线中最后一个Sink，这个Sink只需要处理数据而不需要将结果传递给下游的Sink（因为没有下游）。对于Sink的[处理->转发]模型，结束操作的Sink就是调用链的出口。 我们再来考察一下上游的Sink是如何找到下游Sink的。 一种可选的方案是在PipelineHelper中设置一个Sink字段，在流水线中找到下游Stage并访问Sink字段即可。 但Stream类库的设计者没有这么做，而是设置了一个Sink AbstractPipeline.opWrapSink(int flags, Sink downstream)方法来得到Sink，该方法的作用是返回一个新的包含了当前Stage代表的操作以及能够将结果传递给downstream的Sink对象。 为什么要产生一个新对象而不是返回一个Sink字段？ 这是因为使用opWrapSink()可以将当前操作与下游Sink（上文中的downstream参数）结合成新Sink。试想只要从流水线的最后一个Stage开始，不断调用上一个Stage的opWrapSink()方法直到最开始（不包括stage0，因为stage0代表数据源，不包含操作），就可以得到一个代表了流水线上所有操作的Sink，用代码表示就是这样：

类PipelineHelper

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类 AbstractPipeline extends PipelineHelper

  • 通过wrapSink方法得到从开始到结束的所有操作并包装在一个sink里面，然后通过copyInto执行，就相当于整个流水线进行了执行
  • 代码执行逻辑：首先调用wrappedSink.begin()方法告诉Sink数据即将到来，然后调用spliterator.forEachRemaining()方法对数据进行迭代，最后调用wrappedSink.end()方法通知Sink数据处理结束。

image-20220625194205588

image-20220625181910918

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4.操作结果在哪？

针对不同类型的返回结果，下表给出了各种有返回结果的Stream结束操作：

返回类型 对应的结束操作
boolean anyMatch() allMatch() noneMatch()
Optional findFirst() findAny()
归约结果 reduce() collect()
数组 toArray()
> 对于表中返回boolean或者Optional的操作（Optional是存放 一个 值的容器）的操作，由于值返回一个值，只需要在对应的Sink中记录这个值，等到执行结束时返回就可以了。 对于归约操作，最终结果放在用户调用时指定的容器中（容器类型通过[收集器](https://www.cnblogs.com/CarpenterLee/p/5-Streams API(II).md#收集器)指定）。collect(), reduce(), max(), min()都是归约操作，虽然max()和min()也是返回一个Optional，但事实上底层是通过调用[reduce()](https://www.cnblogs.com/CarpenterLee/p/5-Streams API(II).md#多面手reduce)方法实现的。 对于返回是数组的情况，毫无疑问的结果会放在数组当中。这么说当然是对的，但在最终返回数组之前，结果其实是存储在一种叫做Node的数据结构中的。Node是一种多叉树结构，元素存储在树的叶子当中，并且一个叶子节点可以存放多个元素。这样做是为了并行执行方便。

参考文章：

Java 8 Stream原理解析

深入理解Java Stream流水线

Java 8 Stream探秘

Java8 Stream原理深度解析

梳理

//例子：List<T> a = b.stream().map(m::getId()).collect(Collectors.toList())
//1.首先调用stream方法，看源码：
public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    default Stream<E> stream() {
        return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
    }
}
//2.进入StreamSupport
//3.发现用的ReferencePipeline创建的Head头，进行此次操作记录
public final class StreamSupport {
    public static <T> Stream<T> stream(Spliterator<T> spliterator, boolean parallel) {
        Objects.requireNonNull(spliterator);
        return new ReferencePipeline.Head<>(spliterator,
                                            StreamOpFlag.fromCharacteristics(spliterator),
                                            parallel);
    }
}
//4.调用中间操作map方法，发现中间操作和最终操作的那些操作都在此
//5.发现map操作是个StatelessOp(无状态操作)，同时此类继承于AbstractPipeline，并重写了opWrapSink方法；
//6.并通过Sink接口实现相邻stage直接的连接，来进行操作记录的叠加
abstract class ReferencePipeline<P_IN, P_OUT>
        extends AbstractPipeline<P_IN, P_OUT, Stream<P_OUT>>
        implements Stream<P_OUT>  {
    
    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public final <R> Stream<R> map(Function<? super P_OUT, ? extends R> mapper) {
        Objects.requireNonNull(mapper);
        return new StatelessOp<P_OUT, R>(this, StreamShape.REFERENCE,
                                     StreamOpFlag.NOT_SORTED | StreamOpFlag.NOT_DISTINCT) {
            @Override
            Sink<P_OUT> opWrapSink(int flags, Sink<R> sink) {
                return new Sink.ChainedReference<P_OUT, R>(sink) {
                    @Override
                    public void accept(P_OUT u) {
                        downstream.accept(mapper.apply(u));
                    }
                };
            }
        };
    }
    
}
//7.通过PipelineHelper中的wrapSink接口进行开始到结束的操作记录包装到一个Sink中
abstract class PipelineHelper<P_OUT> {
     abstract<P_IN> Sink<P_IN> wrapSink(Sink<P_OUT> sink);
}
abstract class AbstractPipeline<E_IN, E_OUT, S extends BaseStream<E_OUT, S>>
        extends PipelineHelper<E_OUT> implements BaseStream<E_OUT, S> {
    
        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        final <P_IN> Sink<P_IN> wrapSink(Sink<E_OUT> sink) {
        Objects.requireNonNull(sink);
        for ( @SuppressWarnings("rawtypes") AbstractPipeline p=AbstractPipeline.this; p.depth > 0; p=p.previousStage) {
            sink = p.opWrapSink(p.previousStage.combinedFlags, sink);
        }
        return (Sink<P_IN>) sink;
    }
    
}
//8.通过PipelineHelper中的copyInto接口执行stage
abstract class PipelineHelper<P_OUT> {
     abstract<P_IN> void copyInto(Sink<P_IN> wrappedSink, Spliterator<P_IN> spliterator);
}
abstract class AbstractPipeline<E_IN, E_OUT, S extends BaseStream<E_OUT, S>>
        extends PipelineHelper<E_OUT> implements BaseStream<E_OUT, S> {
    
        @Override
           final <P_IN> void copyInto(Sink<P_IN> wrappedSink, Spliterator<P_IN> spliterator) {
        Objects.requireNonNull(wrappedSink);
        if (!StreamOpFlag.SHORT_CIRCUIT.isKnown(getStreamAndOpFlags())) {
            wrappedSink.begin(spliterator.getExactSizeIfKnown());
            spliterator.forEachRemaining(wrappedSink);
            wrappedSink.end();
        }
        else {
            copyIntoWithCancel(wrappedSink, spliterator);
        }
    }
    
}
//9.最后通过不同类型的操作类型来得出Stream的返回结果

最后

这些个人想说的话还是留在结尾吧，毕竟放前言好像有点不符，毕竟文章重点也不是这。

有一段时间没有写博客了，还是得自我反省。反省的结果就是人喜欢偷懒，变得不会去对一段时间的学习内容进行一个总结，加之在整个写博客过程中需要梳理自己的思路，并且还要对自己写的内容要有一定的正确性判断，如此写博客的时间也随之变长。渐渐地，自己也放松了下来，而这样导致的最大问题就是自己的知识体系越来越碎，导致自己好像一直在学东西，但同时忘记的速度也在随之变快，导致自己无法去正确在实践当中去运用这些所学的技术以及知识点。

上次也说了，会总结设计模式的相关内容，但毕竟这种思想级别的东西，如果不通过理论加实践，是很难总结出来一些对自己有用的东西的，而且这些内容毕竟放到自己网上博客当中，那就不仅仅是自己在看了，我也不希望有一些和我一样的菜鸟看完之后被文章所误导。

Stream这个东西也算自己平时用的较多的一个东西，所以来进行一个总结。

文中如有错误，请各位大佬及时指出，并请不吝赐教。

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