Stream使用这么久,它是如何提高遍历集合效率？

对于List 集合类，我想大家肯定很了解了，那我想一定也知道集合的顶端接口 Collection。在 Java8 中，Collection 新增了两个流方法，分别是 Stream() 和 parallelStream()

通过英文名不难猜测，这两个方法肯定和 Stream 有关，那进一步猜测，是不是和我们熟悉的 InputStream 和 OutputStream 也有关系呢？集合类中新增的两个 Stream 方法到底有什么作用？

什么是 Stream？

在 Java8 之前，我们通常是通过 for 循环或者 Iterator 迭代来重新排序合并数据，又或者通过重新定义 Collections.sorts 的 Comparator 方法来实现，这两种方式对于大数据量系统来说，效率并不是很理想。

Java8 中添加了一个新的接口类 Stream，他和我们之前接触的字节流概念不太一样，Java8 集合中的 Stream 相当于高级版的 Iterator，他可以通过 Lambda 表达式对集合进行各种非常便利、高效的聚合操作（Aggregate Operation），或者大批量数据操作 (Bulk Data Operation)。

Stream 的聚合操作与数据库 SQL 的聚合操作 sorted、filter、map 等类似。我们在应用层就可以高效地实现类似数据库 SQL 的聚合操作了，而在数据操作方面，Stream 不仅可以通过串行的方式实现数据操作，还可以通过并行的方式处理大批量数据，提高数据的处理效率。

接下来我们就用一个简单的例子来体验下 Stream 的简洁与强大。

这个 Demo 的需求是过滤分组一所中学里身高在 160cm 以上的男女同学，我们先用传统的迭代方式来实现，代码如下：

Map<String, List<Student>> stuMap = new HashMap<String, List<Student>>();    for (Student stu: studentsList) {        if (stu.getHeight() > 160) { //如果身高大于160             if (stuMap.get(stu.getSex()) == null) { //该性别还没分类                  List<Student> list = new ArrayList<Student>(); //新建该性别学生的列表                  list.add(stu);//将学生放进去列表                  stuMap.put(stu.getSex(), list);//将列表放到map中              } else { //该性别分类已存在                  stuMap.get(stu.getSex()).add(stu);//该性别分类已存在，则直接放进去即可              }          }     }

我们再使用 Java8 中的 Stream API 进行实现：

1. 串行实现

Map<String, List<Student>> stuMap = stuList.stream().filter((Student s) -> s.getHeight() > 160) .collect(Collectors.groupingBy(Student ::getSex));

2. 并行实现

Map<String, List<Student>> stuMap = stuList.parallelStream().filter((Student s) -> s.getHeight() > 160) .collect(Collectors.groupingBy(Student ::getSex));

通过上面两个简单的例子，我们可以发现，Stream 结合 Lambda 表达式实现遍历筛选功能非常得简洁和便捷。

Stream 如何优化遍历？

上面我们初步了解了 Java8 中的 Stream API，那 Stream 是如何做到优化迭代的呢？并行又是如何实现的？下面我们就透过 Stream 源码剖析 Stream 的实现原理。

1.Stream 操作分类

官方将 Stream 中的操作分为两大类：中间操作（Intermediate operations）和终结操作（Terminal operations）。中间操作只对操作进行了记录，即只会返回一个流，不会进行计算操作，而终结操作是实现了计算操作。

终结操作又可以分为短路（Short-circuiting）与非短路（Unshort-circuiting）操作，前者是指遇到某些符合条件的元素就可以得到最终结果，后者是指必须处理完所有元素才能得到最终结果。操作分类详情如下图所示：

我们通常还会将中间操作称为懒操作，也正是由这种懒操作结合终结操作、数据源构成的处理管道（Pipeline），实现了 Stream 的高效。

2.Stream 源码实现

在了解 Stream 如何工作之前，我们先来了解下 Stream 包是由哪些主要结构类组合而成的，各个类的职责是什么。参照下图：

BaseStream 和 Stream 为最顶端的接口类。BaseStream 主要定义了流的基本接口方法，例如，spliterator、isParallel 等；Stream 则定义了一些流的常用操作方法，例如，map、filter 等。

ReferencePipeline 是一个结构类，他通过定义内部类组装了各种操作流。他定义了 Head、StatelessOp、StatefulOp 三个内部类，实现了 BaseStream 与 Stream 的接口方法。

Sink 接口是定义每个 Stream 操作之间关系的协议，他包含 begin()、end()、cancellationRequested()、accpt() 四个方法。ReferencePipeline 最终会将整个 Stream 流操作组装成一个调用链，而这条调用链上的各个 Stream 操作的上下关系就是通过 Sink 接口协议来定义实现的。

3.Stream 操作叠加

我们知道，一个 Stream 的各个操作是由处理管道组装，并统一完成数据处理的。在 JDK 中每次的中断操作会以使用阶段（Stage）命名。

管道结构通常是由 ReferencePipeline 类实现的，前面讲解 Stream 包结构时，我提到过 ReferencePipeline 包含了 Head、StatelessOp、StatefulOp 三种内部类。

Head 类主要用来定义数据源操作，在我们初次调用 names.stream() 方法时，会初次加载 Head 对象，此时为加载数据源操作；接着加载的是中间操作，分别为无状态中间操作 StatelessOp 对象和有状态操作 StatefulOp 对象，此时的 Stage 并没有执行，而是通过 AbstractPipeline 生成了一个中间操作 Stage 链表；当我们调用终结操作时，会生成一个最终的 Stage，通过这个 Stage 触发之前的中间操作，从最后一个 Stage 开始，递归产生一个 Sink 链。如下图所示：

List<String> names = Arrays.asList("张三", "李四", "王老五", "李三", "刘老四", "王小二", "张四", "张五六七");
String maxLenStartWithZ = names.stream()                  .filter(name -> name.startsWith("张"))                  .mapToInt(String::length)                  .max()                  .toString();

这个例子的需求是查找出一个长度最长，并且以张为姓氏的名字。从代码角度来看，你可能会认为是这样的操作流程：首先遍历一次集合，得到以“张”开头的所有名字；然后遍历一次 filter 得到的集合，将名字转换成数字长度；最后再从长度集合中找到最长的那个名字并且返回。

4.Stream 并行处理

Stream 处理数据的方式有两种，串行处理和并行处理。要实现并行处理，我们只需要在例子的代码中新增一个 Parallel() 方法，代码如下所示：

List<String> names = Arrays.asList("张三", "李四", "王老五", "李三", "刘老四", "王小二", "张四", "张五六七");
String maxLenStartWithZ = names.stream()                    .parallel()                  .filter(name -> name.startsWith("张"))                  .mapToInt(String::length)                  .max()                  .toString();

Stream 的并行处理在执行终结操作之前，跟串行处理的实现是一样的。而在调用终结方法之后，实现的方式就有点不太一样，会调用 TerminalOp 的 evaluateParallel 方法进行并行处理。

final <R> R evaluate(TerminalOp<E_OUT, R> terminalOp) {
        assert getOutputShape() == terminalOp.inputShape();        if (linkedOrConsumed)            throw new IllegalStateException(MSG_STREAM_LINKED);        linkedOrConsumed = true;        return isParallel()               ? terminalOp.evaluateParallel(this, sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags()))               : terminalOp.evaluateSequential(this, sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags()));    }

这里的并行处理指的是，Stream 结合了 ForkJoin 框架，对 Stream 处理进行了分片，Splititerator 中的 estimateSize 方法会估算出分片的数据量。

总结

纵观 Stream 的设计实现，非常值得我们学习。从大的设计方向上来说，Stream 将整个操作分解为了链式结构，不仅简化了遍历操作，还为实现了并行计算打下了基础

从小的分类方向上来说，Stream 将遍历元素的操作和对元素的计算分为中间操作和终结操作，而中间操作又根据元素之间状态有无干扰分为有状态和无状态操作，实现了链结构中的不同阶段。

在串行处理操作中，Stream 在执行每一步中间操作时，并不会做实际的数据操作处理，而是将这些中间操作串联起来，最终由终结操作触发，生成一个数据处理链表，通过 Java8 中的 Spliterator 迭代器进行数据处理；此时，每执行一次迭代，就对所有的无状态的中间操作进行数据处理，而对有状态的中间操作，就需要迭代处理完所有的数据，再进行处理操作；最后就是进行终结操作的数据处理。

在并行处理操作中，Stream 对中间操作基本跟串行处理方式是一样的，但在终结操作中，Stream 将结合 ForkJoin 框架对集合进行切片处理，ForkJoin 框架将每个切片的处理结果 Join 合并起来。最后就是要注意 Stream 的使用场景。

标签：遍历,Stream,实现,终结,这么久,filter,stu,操作
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