Java Stream 流處理詳解

Stream 是 Java 8 引入的一個強大的數據處理抽象，它允許你以聲明式方式處理數據集合（類似于 SQL 語句），支持并行操作，提高了代碼的可讀性和處理效率。

一、Stream 的核心概念

1. 什么是 Stream

• 不是數據結構：不存儲數據，只是從數據源（集合、數組等）獲取數據

• 函數式風格：支持 lambda 表達式和方法引用

• 延遲執行：許多操作（中間操作）不會立即執行，只有遇到終止操作才會執行

• 可消費性：Stream 只能被消費一次，用完即失效

2. 操作類型

• 中間操作(Intermediate Operations)：返回 Stream 本身，可以鏈式調用（如 filter, map）

• 終止操作(Terminal Operations)：產生最終結果或副作用（如 forEach, collect）

二、創建 Stream 的多種方式

// 1. 從集合創建
List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c");
Stream<String> stream1 = list.stream();       // 順序流
Stream<String> parallelStream = list.parallelStream(); // 并行流// 2. 從數組創建
String[] array = {"a", "b", "c"};
Stream<String> stream2 = Arrays.stream(array);// 3. 使用Stream.of()
Stream<String> stream3 = Stream.of("a", "b", "c");// 4. 使用Stream.generate() 無限流
Stream<Double> randomStream = Stream.generate(Math::random).limit(5);// 5. 使用Stream.iterate() 迭代流
Stream<Integer> iterateStream = Stream.iterate(0, n -> n + 2).limit(10);

三、常用的中間操作

1. 過濾操作

// filter(Predicate) 過濾符合條件的元素
List<String> filtered = list.stream().filter(s -> s.startsWith("a")).collect(Collectors.toList());

2. 映射操作

// map(Function) 將元素轉換為其他形式
List<Integer> lengths = list.stream().map(String::length).collect(Collectors.toList());// flatMap 將多個流合并為一個流
List<String> flatMapped = list.stream().flatMap(s -> Stream.of(s.split(""))).collect(Collectors.toList());

3. 去重和排序

// distinct() 去重
List<String> distinct = list.stream().distinct().collect(Collectors.toList());// sorted() 自然排序
List<String> sorted = list.stream().sorted().collect(Collectors.toList());// sorted(Comparator) 自定義排序
List<String> customSorted = list.stream().sorted((s1, s2) -> s2.compareTo(s1)).collect(Collectors.toList());

4. 其他中間操作

// limit(long) 限制元素數量
// skip(long) 跳過前N個元素
// peek(Consumer) 查看流中元素（主要用于調試）

四、常用的終止操作

1. 遍歷操作

// forEach(Consumer) 遍歷每個元素
list.stream().forEach(System.out::println);

2. 收集結果

// collect(Collector) 將流轉換為集合或其他形式
List<String> collectedList = stream.collect(Collectors.toList());
Set<String> collectedSet = stream.collect(Collectors.toSet());
Map<String, Integer> map = stream.collect(Collectors.toMap(Function.identity(), String::length));

3. 聚合操作

// count() 計數
long count = list.stream().count();// max/min(Comparator) 最大/最小值
Optional<String> max = list.stream().max(Comparator.naturalOrder());// reduce 歸約操作
Optional<Integer> sum = Stream.of(1, 2, 3).reduce(Integer::sum);

4. 匹配操作

// anyMatch 任意元素匹配
boolean anyStartsWithA = list.stream().anyMatch(s -> s.startsWith("a"));// allMatch 所有元素匹配
boolean allStartsWithA = list.stream().allMatch(s -> s.startsWith("a"));// noneMatch 沒有元素匹配
boolean noneStartsWithZ = list.stream().noneMatch(s -> s.startsWith("z"));

五、數值流特化

Java 8 提供了專門的數值流，避免裝箱拆箱開銷：

// IntStream, LongStream, DoubleStream
IntStream intStream = IntStream.range(1, 100); // 1-99
DoubleStream doubleStream = DoubleStream.of(1.1, 2.2);// 常用數值操作
int sum = IntStream.rangeClosed(1, 100).sum(); // 1-100的和
OptionalDouble avg = IntStream.of(1, 2, 3).average();

六、并行流處理

// 創建并行流
List<String> parallelProcessed = list.parallelStream().filter(s -> s.length() > 1).collect(Collectors.toList());// 注意事項：
// 1. 確保操作是線程安全的
// 2. 避免有狀態的操作
// 3. 數據量足夠大時才使用并行流

七、收集器(Collectors)的高級用法

// 分組
Map<Integer, List<String>> groupByLength = list.stream().collect(Collectors.groupingBy(String::length));// 分區
Map<Boolean, List<String>> partition = list.stream().collect(Collectors.partitioningBy(s -> s.startsWith("a")));// 連接字符串
String joined = list.stream().collect(Collectors.joining(", "));// 匯總統計
IntSummaryStatistics stats = list.stream().collect(Collectors.summarizingInt(String::length));

八、實際應用示例

示例1：處理對象集合

List<Person> people = ...;// 獲取所有成年人的姓名列表
List<String> adultNames = people.stream().filter(p -> p.getAge() >= 18).map(Person::getName).collect(Collectors.toList());// 按城市分組
Map<String, List<Person>> byCity = people.stream().collect(Collectors.groupingBy(Person::getCity));// 計算每個城市的平均年齡
Map<String, Double> avgAgeByCity = people.stream().collect(Collectors.groupingBy(Person::getCity,Collectors.averagingInt(Person::getAge)));

示例2：文件處理

// 讀取文件并處理
try (Stream<String> lines = Files.lines(Paths.get("data.txt"))) {long wordCount = lines.flatMap(line -> Arrays.stream(line.split("\\s+"))).filter(word -> word.length() > 0).count();
} catch (IOException e) {e.printStackTrace();
}

九、注意事項

1. 流只能消費一次：嘗試第二次使用已關閉的流會拋出?IllegalStateException

2. 避免修改源數據：流操作期間不應修改源集合

3. 合理使用并行流：并非所有情況都適合并行，小數據量可能適得其反

4. 注意自動裝箱：數值操作盡量使用原始類型特化流(IntStream等)

5. 延遲執行特性：沒有終止操作，中間操作不會執行

Stream API 提供了一種高效、聲明式的數據處理方式，是現代 Java 編程中不可或缺的工具。合理使用可以大幅提升代碼的可讀性和維護性。