Java流操作解析：深度剖析中间操作、终端操作与并行处理机制

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文章目录

- 一、中间操作
- - 1.1 过滤（filter）
  - 1.2 映射（map）
  - 1.3 排序（sorted）
  - 1.4 去重（distinct）
- 二、终端操作
- - 2.1 收集（collect）
  - 2.2 计数（count）
  - 2.3 匹配（anyMatch）
- 三、并行流
- - 3.1 流的并行处理机制
  - 3.2 多线程执行流操作的内部工作原理

一、中间操作

对于如何来到filter过滤操作的源码位置，读者可以参考我的上一篇博客哈，具体的步骤都已经详细给出。

1.1 过滤（filter）

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主要作用：创建一个新的无状态操作，用于对流中的元素进行过滤。在处理流元素时，会根据传入的predicate条件进行过滤，并将满足条件的元素传递给下游。

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1.2 映射（map）

map的作用：对流中的每个元素应用指定的映射函数，然后将映射后的结果组成一个新的流返回。

源码解析流程：
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主要作用：创建一个新的无状态操作，用于对流中的元素应用指定的映射函数，并将映射后的结果传递给下游的Sink对象。

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1.3 排序（sorted）

sorted的作用：对流中的元素进行排序，排序方式由传入的比较器（Comparator）决定，排序后返回一个新的排序后的流。

源码解析流程：

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1.4 去重（distinct）

distinct的作用：去重操作会移除流中的重复元素，只保留其中的一个。

源码解析流程：

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由于代码过长，截图不方便，采用代码加注释的形式.实现 makeRef 方法，该方法创建了一个去重操作的流水线，使用了并行处理来实现去重，并且在处理过程中保持了有序性。

static <T> ReferencePipeline<T, T> makeRef(AbstractPipeline<?, T, ?> upstream) {
    // 创建一个新的 StatefulOp 实例，表示去重操作的流水线，使用 REFERENCE 类型的流形状
    return new ReferencePipeline.StatefulOp<T, T>(upstream, StreamShape.REFERENCE,
                                                  StreamOpFlag.IS_DISTINCT | StreamOpFlag.NOT_SIZED) {

        // reduce 方法用于将并行处理的元素归约为单个结果
        <P_IN> Node<T> reduce(PipelineHelper<T> helper, Spliterator<P_IN> spliterator) {
            // 如果流是有序的，则保持排序顺序
            TerminalOp<T, LinkedHashSet<T>> reduceOp
                    = ReduceOps.<T, LinkedHashSet<T>>makeRef(LinkedHashSet::new, LinkedHashSet::add,
                                                             LinkedHashSet::addAll);
            // 使用 reduceOp 对元素进行归约操作，并将结果封装为 Node
            return Nodes.node(reduceOp.evaluateParallel(helper, spliterator));
        }

        // opEvaluateParallel 方法用于并行评估操作
        @Override
        <P_IN> Node<T> opEvaluateParallel(PipelineHelper<T> helper,
                                          Spliterator<P_IN> spliterator,
                                          IntFunction<T[]> generator) {
            // 如果流中已经包含了 DISTINCT 标志，表示已经进行了去重操作，则直接返回
            if (StreamOpFlag.DISTINCT.isKnown(helper.getStreamAndOpFlags())) {
                // 不进行任何操作，直接返回流的结果
                return helper.evaluate(spliterator, false, generator);
            }
            // 如果流中已经包含了 ORDERED 标志，表示流是有序的
            else if (StreamOpFlag.ORDERED.isKnown(helper.getStreamAndOpFlags())) {
                // 调用 reduce 方法进行归约操作
                return reduce(helper, spliterator);
            }
            // 如果流不是有序的
            else {
                // 用于标记是否有 null 值出现的原子布尔值
                AtomicBoolean seenNull = new AtomicBoolean(false);
                // 使用 ConcurrentHashMap 存储元素，保证线程安全
                ConcurrentHashMap<T, Boolean> map = new ConcurrentHashMap<>();
                // 使用 ForEachOps 进行并行遍历并添加元素到 ConcurrentHashMap
                TerminalOp<T, Void> forEachOp = ForEachOps.makeRef(t -> {
                    if (t == null)
                        seenNull.set(true);  // 如果元素为 null，则设置标志为 true
                    else
                        map.putIfAbsent(t, Boolean.TRUE);  // 如果元素不为 null，则添加到 ConcurrentHashMap 中
                }, false);
                forEachOp.evaluateParallel(helper, spliterator);

                // 如果出现 null 元素，则将其加入到结果中
                Set<T> keys = map.keySet();
                if (seenNull.get()) {
                    // 如果有 null 元素，则创建一个支持 null 元素的 HashSet 并添加到结果中
                    keys = new HashSet<>(keys);
                    keys.add(null);
                }
                // 返回包含去重结果的 Node
                return Nodes.node(keys);
            }
        }
    };
}

**ps：**本篇仅仅展示部分使用较多的中间操作，读者可自行去解读其它中间操作。

二、终端操作

2.1 收集（collect）

collect方法行为：使用supplier创建结果容器，使用accumulator将流中的元素逐个添加到结果容器中，最后使用combiner将不同分区的结果容器合并成一个整体结果容器。

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在collect方法的实现中，可能会涉及到工厂模式、建造者模式等，具体取决于你使用的收集器（Collector）。

Demo：当使用Collectors.toList()方法，会返回一个Collector，这里使用了工厂模式，Collectors.toList()方法返回了一个Collector的实例，这个实例使用了CollectorImpl类。

实现类似如下：

/**
* ArrayList::new作为一个Supplier，以及List::add作为一个累加器函数，可以说是使用了工厂模式和策略模式
*/
public static <T> Collector<T, ?, List<T>> toList() {
    return new CollectorImpl<>((Supplier<List<T>>) ArrayList::new, List::add,
                                (left, right) -> { left.addAll(right); return left; },
                                CH_ID);
}

2.2 计数（count）

作用：流中调用 count() 方法将返回流中元素的总数。

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可能涉及到设计模式思想：

public long count() {
    return mapToLong(e -> 1L).sum();
}

装饰者模式：在 count() 方法的实现中，可以看到通过 mapToLong() 方法对流进行了装饰，将流中的每个元素映射为 1L，然后再调用 sum() 方法。这种装饰操作符合装饰者模式的思想，通过添加额外的功能来扩展原有对象的行为。
工厂模式：在流式编程中，流对象的创建通常是通过工厂方法来实现的。例如，Stream 接口中的 mapToLong() 方法就是一个工厂方法，用于创建一个新的 LongStream 对象。
策略模式：mapToLong() 方法接受一个函数式接口 ToLongFunction 作为参数，这个函数式接口的具体实现是根据传入的 lambda 表达式来确定的，从而实现了策略模式的思想，即根据不同的需求传入不同的策略。

2.3 匹配（anyMatch）

作用：用于判断流中是否存在至少一个元素满足给定的条件。

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内部实现中可能会涉及到的设计模式思想：

迭代器模式：在流的内部实现中很可能会使用迭代器来遍历流中的元素，并在遍历过程中进行条件判断，以确定是否存在满足条件的元素。
策略模式：anyMatch() 方法接受一个 Predicate 参数，这个参数是一个函数式接口，根据传入的 lambda 表达式或者方法引用来确定具体的判断条件，这符合策略模式的思想。
模板方法模式：流的内部可能会使用模板方法模式来定义流的处理流程，例如迭代、条件判断等，而具体的操作则由子类或者传入的参数决定。

三、并行流

3.1 流的并行处理机制

流的并行处理机制是 Java 中处理数据流的一种方式，它可以利用多核处理器和并行计算资源来加速数据处理过程。流的并行处理通过将数据流分成多个子流，并行处理每个子流来实现。

结合源码来解析一下流的并行处理机制：

在流的并行处理中，流的元素会被分成多个子流，每个子流会被分配给不同的线程进行处理。这个过程由 sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags()) 方法完成，它返回一个适当的分隔器，用于将流的元素分割成多个子流。
根据流的并行性，调用不同的评估方法来处理子流：
- 如果流是并行的（即 isParallel() 返回 true），则调用 terminalOp.evaluateParallel(this, sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags())) 方法来并行评估子流。这个方法会利用并行计算资源来同时处理多个子流，加速数据处理过程。
- 如果流是顺序的（即 isParallel() 返回 false），则调用 terminalOp.evaluateSequential(this, sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags())) 方法来顺序评估子流。这个方法会按顺序处理每个子流的元素，没有并行化处理。
在评估方法中，会根据 TerminalOp 的实现对子流的元素进行相应的操作，并最终返回结果。

3.2 多线程执行流操作的内部工作原理

多线程执行流操作的内部工作原理可以通过分析 Java 流框架的实现来理解。流框架在处理流操作时，会根据流的并行性将任务分配给多个线程执行，并利用并发编程的技术来实现高效的多线程执行。

结合源码来解析一下多线程执行流操作的内部工作原理：

分割流的元素：在流的并行处理中，流的元素会被分成多个子流，每个子流会被分配给不同的线程进行处理。这个过程由 sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags()) 方法完成，它返回一个适当的分隔器，用于将流的元素分割成多个子流。
并行执行任务：根据流的并行性，Java 流框架会将任务分配给线程池中的多个线程执行，并行处理每个子流。在源码中，调用了 terminalOp.evaluateParallel(this, sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags())) 方法来并行评估子流。这个方法会利用并行计算资源来同时处理多个子流，加速数据处理过程。
任务的合并与结果返回：在并行执行过程中，各个线程会独立执行任务，并产生各自的部分结果。在评估方法的内部，Java 流框架会负责合并各个线程的结果，并最终返回整体的结果。这样，多线程执行的结果会被正确地合并到最终的结果中。
线程管理与调度：Java 流框架会利用线程池来管理并发执行的线程，确保资源的有效利用和任务的合理调度。线程池会根据需要动态地管理线程的数量，并根据系统资源和任务负载来调度线程的执行。

如今我努力奔跑，不过是为了追上那个曾经被你寄予厚望的我