Java 8 新特性：全新的 Stream API

Java 8 引入了全新的 Stream API。这里的 Stream 和 I/O 流不同，它更像具有 Iterable 的集合类，但行为和集合类又有所不同。

Stream API 引入的目的在于弥补 Java 函数式编程的缺陷。对于很多支持函数式编程的语言，map()、reduce() 基本上都内置到语言的标准库中了，不过，Java 8 的 Stream API 总体来讲仍然是非常完善和强大，足以用很少的代码完成许多复杂的功能。

创建一个 Stream 有很多方法，最简单的方法是把一个 Collection 变成 Stream。我们来看最基本的几个操作：

 
public static void main(String[] args) {
   List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10);
   Stream<Integer> stream = numbers.stream();
   stream.filter((x) -> {
       return x % 2 == 0;
   }).map((x) -> {
       return x * x;
   }).forEach(System.out::println);
}

集合类新增的 stream() 方法用于把一个集合变成 Stream，然后，通过 filter()、map() 等实现 Stream 的变换。Stream 还有一个 forEach() 来完成每个元素的迭代。

为什么不在集合类实现这些操作，而是定义了全新的 Stream API？Oracle 官方给出了几个重要原因：

一是集合类持有的所有元素都是存储在内存中的，非常巨大的集合类会占用大量的内存，而 Stream 的元素却是在访问的时候才被计算出来，这种“延迟计算”的特性有点类似 Clojure 的 lazy-seq，占用内存很少。

二是集合类的迭代逻辑是调用者负责，通常是 for 循环，而 Stream 的迭代是隐含在对 Stream 的各种操作中，例如 map()。

要理解“延迟计算”，不妨创建一个无穷大小的 Stream。

如果要表示自然数集合，显然用集合类是不可能实现的，因为自然数有无穷多个。但是 Stream 可以做到。

自然数集合的规则非常简单，每个元素都是前一个元素的值 +1，因此，自然数发生器用代码实现如下：

 
class NaturalSupplier implements Supplier<Long> {
 
   long value = 0;
 
   public Long get() {
       this.value = this.value + 1;
       return this.value;
   }
}

反复调用 get()，将得到一个无穷数列，利用这个 Supplier，可以创建一个无穷的 Stream：

 
public static void main(String[] args) {
   Stream<Long> natural = Stream.generate(new NaturalSupplier());
   natural.map((x) -> {
       return x * x;
   }).limit(10).forEach(System.out::println);
}
{1}

对这个 Stream 做任何 map()、filter() 等操作都是完全可以的，这说明 Stream API 对 Stream 进行转换并生成一个新的 Stream 并非实时计算，而是做了延迟计算。

当然，对这个无穷的 Stream 不能直接调用 forEach()，这样会无限打印下去。但是我们可以利用 limit() 变换，把这个无穷 Stream 变换为有限的 Stream。

利用 Stream API，可以设计更加简单的数据接口。例如，生成斐波那契数列，完全可以用一个无穷流表示（受限 Java 的 long 型大小，可以改为 BigInteger）：

 
class FibonacciSupplier implements Supplier<Long> {
 
   long a = 0;
   long b = 1;
 
   @Override
   public Long get() {
       long x = a + b;
       a = b;
       b = x;
       return a;
   }
}
 
public class FibonacciStream {
 
   public static void main(String[] args) {
       Stream<Long> fibonacci = Stream.generate(new FibonacciSupplier());
       fibonacci.limit(10).forEach(System.out::println);
   }
}

如果想取得数列的前 10 项，用 limit(10)，如果想取得数列的第 20~30 项，用：

 
List<Long> list = fibonacci.skip(20).limit(10).collect(Collectors.toList());

最后通过 collect() 方法把 Stream 变为 List。该 List 存储的所有元素就已经是计算出的确定的元素了。

用 Stream 表示 Fibonacci 数列，其接口比任何其他接口定义都要来得简单灵活并且高效。

计算π可以利用π的展开式：

 
π/4 = 1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + 1/9 - ...

把π表示为一个无穷 Stream 如下：

 
class PiSupplier implements Supplier<Double> {
 
   double sum = 0.0;
   double current = 1.0;
   boolean sign = true;
 
   @Override
   public Double get() {
       sum += (sign ? 4 : -4) / this.current;
       this.current = this.current + 2.0;
       this.sign = ! this.sign;
       return sum;
   }
}
 
Stream<Double> piStream = Stream.generate(new PiSupplier());
piStream.skip(100).limit(10)
       .forEach(System.out::println);

这个级数从 100 项开始可以把π的值精确到 3.13~3.15 之间：

 
3.1514934010709914
3.1317889675734545
3.1513011626954057
3.131977491197821
3.1511162471786824
3.1321589012071183
3.150938243930123
3.132333592767332
3.1507667724908344
3.1325019323081857

利用欧拉变换对级数进行加速，可以利用下面的公式：

用代码实现就是把一个流变成另一个流：

 
class EulerTransform implements Function<Double, Double> {
 
   double n1 = 0.0;
   double n2 = 0.0;
   double n3 = 0.0;
 
   @Override
   public Double apply(Double t) {
       n1 = n2;
       n2 = n3;
       n3 = t;
       if (n1 == 0.0) {
           return 0.0;
       }
       return calc();
   }
 
   double calc() {
       double d = n3 - n2;
       return n3 - d * d / (n1 - 2 * n2 + n3);
   }
}
 
Stream<Double> piStream2 = Stream.generate(new PiSupplier());
piStream2.map(new EulerTransform())
        .limit(10)
        .forEach(System.out::println);

可以在 10 项之内把π的值计算到 3.141~3.142 之间：

 
0.0
0.0
3.166666666666667
3.1333333333333337
3.1452380952380956
3.13968253968254
3.1427128427128435
3.1408813408813416
3.142071817071818
3.1412548236077655

还可以多次应用这个加速器：

 
Stream<Double> piStream3 = Stream.generate(new PiSupplier());
piStream3.map(new EulerTransform())
        .map(new EulerTransform())
        .map(new EulerTransform())
        .map(new EulerTransform())
        .map(new EulerTransform())
        .limit(20)
        .forEach(System.out::println);

20 项之内可以计算出极其精确的值：

 
...
3.14159265359053
3.1415926535894667
3.141592653589949
3.141592653589719

可见用 Stream API 可以写出多么简洁的代码，用其他的模型也可以写出来，但是代码会非常复杂。

作者简介

廖雪峰，十年软件开发经验，业余产品经理，精通 Java/Python/Ruby/Visual Basic/Objective C/Lisp 等编程语言，对开源框架有深入研究，著有《Spring 2.0 核心技术与最佳实践》一书，多个业余开源项目托管在 GitHub。

感谢张龙对本文的审校。

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