Java Stream归约
Stream API 是 Java 8 引入的一个重要特性，而归约(reduction)操作是 Stream API 中的核心功能之一。归约操作能将流中的所有元素通过某种计算方式合并成一个结果。本文将详细介绍 Java Stream API 中的归约操作，帮助初学者掌握这一重要概念。
什么是归约操作？
归约操作是将一个数据集合（例如列表或数组）通过重复应用某个组合操作，最终将其简化为单个结果的过程。例如，计算一个整数列表的总和或找出最大值都是归约操作的例子。
在 Stream API 中，归约主要通过以下几种方式实现：
reduce()方法- 特化的归约操作（如
sum(),max(),min(),count()） - 使用
collect()方法和收集器
reduce() 方法详解
reduce() 方法是 Stream API 提供的通用归约操作。它有三种重载形式：
1. 带初始值的二元操作
java
<T> T reduce(T identity, BinaryOperator<T> accumulator)
参数说明：
identity: 初始值，也是当流为空时的默认结果accumulator: 累加器，一个二元操作，用于合并两个值
示例：计算整数列表的总和
java
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
int sum = numbers.stream()
.reduce(0, (a, b) -> a + b);
System.out.println("Sum: " + sum); // 输出: Sum: 15
提示
上面的例子也可以使用方法引用简化为：
java
int sum = numbers.stream().reduce(0, Integer::sum);
执行过程：
- 初始值为 0
- 0 + 1 = 1
- 1 + 2 = 3
- 3 + 3 = 6
- 6 + 4 = 10
- 10 + 5 = 15
2. 无初始值的二元操作
java
Optional<T> reduce(BinaryOperator<T> accumulator)
当流可能为空时，此方法返回 Optional 对象，避免空指针异常。
示例：找出最大值
java
List<Integer> numbers = Arrays.asList(5, 3, 9, 1, 7);
Optional<Integer> max = numbers.stream()
.reduce(Integer::max);
max.ifPresent(value -> System.out.println("Max value: " + value)); // 输出: Max value: 9
3. 带组合器的归约
java
<U> U reduce(U identity, BiFunction<U, ? super T, U> accumulator, BinaryOperator<U> combiner)
这种形式主要用于并行流处理，其中：
combiner: 用于合并并行执行的结果
示例：并行计算字符串长度总和
java
List<String> words = Arrays.asList("Hello", "World", "Java", "Stream", "API");
int totalLength = words.parallelStream()
.reduce(0,
(sum, word) -> sum + word.length(),
Integer::sum);
System.out.println("Total length: " + totalLength); // 输出: Total length: 22
特化的归约操作
为了常见的归约操作，Stream API 提供了一些便捷方法：
数值流上的操作
对于 IntStream, LongStream 和 DoubleStream，有以下方法：
java
List<Integer> numbers = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
// 求和
int sum = numbers.stream()
.mapToInt(Integer::intValue)
.sum();
System.out.println("Sum: " + sum); // 输出: Sum: 15
// 最大值
OptionalInt max = numbers.stream()
.mapToInt(Integer::intValue)
.max();
System.out.println("Max: " + max.orElse(0)); // 输出: Max: 5
// 最小值
OptionalInt min = numbers.stream()
.mapToInt(Integer::intValue)
.min();
System.out.println("Min: " + min.orElse(0)); // 输出: Min: 1
// 计数
long count = numbers.stream().count();
System.out.println("Count: " + count); // 输出: Count: 5
// 平均值
OptionalDouble avg = numbers.stream()
.mapToInt(Integer::intValue)
.average();
System.out.println("Average: " + avg.orElse(0)); // 输出: Average: 3.0
使用 collect() 进行归约
collect() 方法是 Stream API 中另一种强大的归约操作，它使用 Collector 接口来指定归约逻辑。
基本收集操作
java
List<String> fruits = Arrays.asList("Apple", "Banana", "Orange", "Mango", "Grapes");
// 收集到List
List<String> fruitList = fruits.stream()
.collect(Collectors.toList());
// 收集到Set
Set<String> fruitSet = fruits.stream()
.collect(Collectors.toSet());
// 收集到特定的集合
LinkedList<String> linkedList = fruits.stream()
.collect(Collectors.toCollection(LinkedList::new));
// 连接字符串
String joinedString = fruits.stream()
.collect(Collectors.joining(", "));
System.out.println(joinedString); // 输出: Apple, Banana, Orange, Mango, Grapes
分组和分区
java
List<Employee> employees = Arrays.asList(
new Employee("Alice", "IT", 75000),
new Employee("Bob", "HR", 65000),
new Employee("Charlie", "IT", 80000),
new Employee("Diana", "Finance", 95000),
new Employee("Eve", "HR", 70000)
);
// 按部门分组
Map<String, List<Employee>> byDepartment = employees.stream()
.collect(Collectors.groupingBy(Employee::getDepartment));
// 按薪资水平分区（高于或低于80000）
Map<Boolean, List<Employee>> partitionedBySalary = employees.stream()
.collect(Collectors.partitioningBy(e -> e.getSalary() > 80000));
统计信息
java
// 计算统计信息
DoubleSummaryStatistics salaryStats = employees.stream()
.collect(Collectors.summarizingDouble(Employee::getSalary));
System.out.println("Count: " + salaryStats.getCount());
System.out.println("Sum: " + salaryStats.getSum());
System.out.println("Min: " + salaryStats.getMin());
System.out.println("Average: " + salaryStats.getAverage());
System.out.println("Max: " + salaryStats.getMax());
实际应用案例
案例1：购物车总金额计算
假设我们有一个在线购物系统，需要计算购物车中所有商品的总价：
java
class Product {
private String name;
private double price;
private int quantity;
// 构造器、getter和setter省略
public Product(String name, double price, int quantity) {
this.name = name;
this.price = price;
this.quantity = quantity;
}
public double getTotal() {
return price * quantity;
}
public String getName() {
return name;
}
public double getPrice() {
return price;
}
public int getQuantity() {
return quantity;
}
}
public class ShoppingCart {
public static void main(String[] args) {
List<Product> cart = Arrays.asList(
new Product("Laptop", 1299.99, 1),
new Product("Phone", 699.99, 2),
new Product("Headphones", 159.99, 1),
new Product("Charger", 29.99, 3)
);
// 使用reduce计算总价
double totalPrice = cart.stream()
.map(Product::getTotal)
.reduce(0.0, Double::sum);
System.out.printf("Total price: $%.2f%n", totalPrice); // 输出: Total price: $2649.94
// 获取购物车摘要
String summary = cart.stream()
.map(p -> String.format("%s x%d: $%.2f",
p.getName(), p.getQuantity(), p.getTotal()))
.collect(Collectors.joining("\n"));
System.out.println("Cart Summary:\n" + summary);
}
}
案例2：文本词频统计
当我们需要分析一篇文章中各个单词出现的频率时：
java
public class WordFrequencyCounter {
public static void main(String[] args) {
String text = "Stream API is a powerful feature of Java. " +
"Stream API enables functional-style operations on streams. " +
"A stream is a sequence of objects that supports various methods " +
"which can be pipelined to produce the desired result.";
// 将文本分割为单词并统计频率
Map<String, Long> wordFrequency = Arrays.stream(text.split("\\s+"))
.map(word -> word.replaceAll("[^a-zA-Z]", "").toLowerCase())
.filter(word -> !word.isEmpty())
.collect(Collectors.groupingBy(
word -> word,
Collectors.counting()
));
// 找出出现频率最高的前5个单词
wordFrequency.entrySet().stream()
.sorted(Map.Entry.<String, Long>comparingByValue().reversed())
.limit(5)
.forEach(entry -> System.out.println(
entry.getKey() + ": " + entry.getValue()
));
}
}
归约操作的性能考虑
在使用归约操作时，有几个性能因素需要考虑：
-
并行流：对于大数据集，可以考虑使用
parallelStream()来提高性能，但需要确保操作是无状态且线程安全的。 -
短路操作：使用
findFirst(),findAny(),anyMatch(),allMatch(),noneMatch()等操作可以在满足条件时提前终止流处理。 -
惰性求值与及早求值：Stream API 使用惰性求值模式，只有在遇到及早求值操作（如
collect(),reduce()）时才会执行。合理安排操作顺序可以提高性能。
java
// 高效方式：先过滤，再映射
List<String> longNames = persons.stream()
.filter(p -> p.getAge() > 20) // 先过滤减少数据量
.map(Person::getName) // 再映射，处理更少的元素
.collect(Collectors.toList());
// 低效方式：先映射，再过滤
List<String> longNames = persons.stream()
.map(Person::getName) // 映射所有元素
.filter(name -> name.length() > 5) // 过滤后才减少
.collect(Collectors.toList());
流操作中的归约流程图
下面是一个归约操作的流程图，展示数据如何通过 Stream API 的管道处理：
总结
Java Stream API 提供的归约操作是处理数据集合的强大工具，它们允许我们用声明式而非命令式的方式表达复杂的数据处理流程：
reduce()方法提供了灵活的归约机制，可以从流中生成单个结果。- 特化的归约操作如
sum(),max(),min()提供了更便捷的使用方式。 collect()方法结合各种收集器，提供了丰富的聚合功能。
掌握这些归约操作，能帮助你编写更简洁、更可读、更高效的代码，特别是在处理大型数据集时。
练习
为了巩固所学知识，尝试完成以下练习：
- 使用
reduce()方法查找字符串列表中最长的字符串。 - 使用流操作计算一个整数列表中所有偶数的平方和。
- 创建一个程序，使用
collect()方法按首字母将名称列表分组。 - 实现一个函数，计算一组学生的平均分，并找出高于平均分的学生。
附加资源
要深入了解 Java Stream API 的归约操作，可以参考以下资源：
提示
归约操作是函数式编程的重要概念，掌握它将有助于你更好地理解和使用函数式编程范式。