JavaStream：无限流、数组转换与文件I/O操作

### Java Stream：无限流、数组转换与文件 I/O 操作 #### 1. 迭代流与 for 循环 迭代流相较于 for 循环的显著优势在于，它既能实现类似循环的迭代，又能借助惰性函数式流管道带来的好处。流创建时无需定义结束条件，可由后续的中间操作（如 `limit`）或终端条件（如 `anyMatch`）提供。 迭代流的特性包括 ORDERED、IMMUTABLE，对于原始流还有 NONNULL。若迭代基于数字且范围已知，可使用 `IntStream` 和 `LongStream` 的静态范围方法创建流，以实现更多流优化，如短路操作： - `IntStream range(int startInclusive, int endExclusive)` - `IntStream rangeClosed(int startInclusive, int endInclusive)` - `LongStream range(long startInclusive, long endExclusive)` - `LongStream rangeClosed(long startInclusive, long endInclusive)` 虽然使用 `iterate` 也能实现相同结果，但主要区别在于底层的 `Spliterator`。返回流的特性有 ORDERED、SIZED、SUBSIZED、IMMUTABLE、NONNULL、DISTINCT 和 SORTED。选择迭代流还是范围流创建方式，取决于具体需求。迭代方式在迭代过程中更灵活，但会失去一些有助于优化的流特性，尤其在并行流中。 #### 2. 无限流 流的惰性特性允许处理无限元素序列，这些元素按需处理，而非一次性处理。JDK 中的所有流接口（如 `Stream<T>` 及其原始类型相关的 `IntStream`、`LongStream` 和 `DoubleStream`）都有静态便捷方法，可基于迭代或无序生成方式创建无限流。 之前提到的 `iterate` 方法从种子值开始，依赖对当前迭代值应用 `UnaryOperator`；而静态 `generate` 方法仅依赖 `Supplier` 生成下一个流元素： - `<T> Stream<T> generate(Supplier<T> s)` - `IntStream generate(IntSupplier s)` - `LongStream generate(LongSupplier s)` - `DoubleStream generate(DoubleSupplier s)` 缺少起始种子值会影响流的特性，使其变为 UNORDERED，这在并行使用时可能有益。由 `Supplier` 创建的无序流适用于常量、非相互依赖的元素序列，如随机值。例如，创建 UUID 流工厂很简单： ```java Stream<UUID> createStream(long count) { return Stream.generate(UUID::randomUUID) .limit(count); } ``` 无序流的缺点是，在并行环境中，`limit` 操作不能保证选取前 n 个元素，可能导致调用元素生成 `Supplier` 的次数超过实际所需。例如： ```java Stream.generate(new AtomicInteger()::incrementAndGet) .parallel() .limit(1_000L) .mapToInt(Integer::valueOf) .max() .ifPresent(System.out::println); ``` 此管道的预期输出为 1000，但实际输出很可能大于 1000。这表明在并行执行环境中，无序流会出现这种情况。多数情况下影响不大，但凸显了选择合适流类型以获得最佳性能和最少调用次数的必要性。 #### 3. 随机数 流 API 对生成无限随机数流有特殊考虑。虽然可以使用 `Stream.generate` 和 `java.util.Random` 实例创建此类流，但有更简单的方法。三种随机数生成类型可创建流： - `java.util.Random` - `java.util.concurrent.ThreadLocalRandom` - `java.util.SplittableRandom` 这三种类型都提供了多种方法来创建随机元素流： | 方法 | 描述 | | --- | --- | | `IntStream ints()` | 创建一个无限的 `IntStream`，包含随机整数 | | `IntStream ints(long streamSize)` | 创建一个包含指定数量随机整数的 `IntStream` | | `IntStream ints(int randomNumberOrigin, int randomNumberBound)` | 创建一个无限的 `IntStream`，包含指定范围内的随机整数 | | `IntStream ints(long streamSize, int randomNumberOrigin, int randomNumberBound)` | 创建一个包含指定数量、指定范围内随机整数的 `IntStream` | | `LongStream longs()` | 创建一个无限的 `LongStream`，包含随机长整数 | | `LongStream longs(long streamSize)` | 创建一个包含指定数量随机长整数的 `LongStream` | | `LongStream longs(long randomNumberOrigin, long randomNumberBound)` | 创建一个无限的 `LongStream`，包含指定范围内的随机长整数 | | `LongStream longs(long streamSize, long randomNumberOrigin, long randomNumberBound)` | 创建一个包含指定数量、指定范围内随机长整数的 `LongStream` | | `DoubleStream doubles()` | 创建一个无限的 `DoubleStream`，包含随机双精度浮点数 | | `DoubleStream doubles(long streamSize)` | 创建一个包含指定数量随机双精度浮点数的 `DoubleStream` | | `DoubleStream doubles(double randomNumberOrigin, double randomNumberBound)` | 创建一个无限的 `DoubleStream`，包含指定范围内的随机双精度浮点数 | | `DoubleStream doubles(long streamSize, double randomNumberOrigin, double randomNumberBound)` | 创建一个包含指定数量、指定范围内随机双精度浮点数的 `DoubleStream` | 从技术上讲，这些流实际上是有效的无限流。若未提供 `streamSize`，生成的流将包含 `Long.MAX_VALUE` 个元素。上下界由 `randomNumberOrigin`（包含）和 `randomNumberBound`（不包含）设置。 #### 4. 内存限制 使用无限流时，要牢记内存是有限的。限制无限流不仅重要，而且是绝对必要的！若忘记添加限制中间或终端操作，必然会耗尽 JVM 可用的所有内存，最终抛出 `OutOfMemoryError`。 可用于限制任何流的操作如下表所示： | 操作 | 描述 | | --- | --- | | **中间操作** | | | `limit(long maxSize)` | 将流限制为最多 `maxSize` 个元素 | | `takeWhile(Predicate<T> predicate)` | （Java 9+）获取元素，直到谓词评估为 false | | **终端操作（保证终止）** | | | `Optional<T> findFirst()` | 返回流的第一个元素 | | `Optional<T> findAny()` | 返回一个单一的、非确定性的流元素 | | **终端操作（不保证终止）** | | | `boolean anyMatch(Predicate<T> predicate)` | 返回流中是否有任何元素匹配谓词 | | `boolean allMatch(Predicate<T> predicate)` | 返回流中所有元素是否都匹配谓词 | | `boolean noneMatch(Predicate<T> predicate)` | 返回流中是否没有元素匹配谓词 | 最直接的选择是 `limit`。使用谓词的基于选择的操作（如 `takeWhile`）需谨慎编写，否则可能导致流消耗比所需更多的内存。对于终端操作，只有 `find-` 操作能保证终止流。`-Match` 操作与 `takeWhile` 有相同问题，若谓词不匹配，流管道将处理无限数量的元素，耗尽所有可用内存。 限制操作在流中的位置也会影响通过的元素数量。尽早限制流元素的流动，即使最终结果相同，也能节省更多内存和 CPU 周期。 #### 5. 数组与流的转换 数组是一种特殊的对象，类似于集合结构，持有其基本类型的元素。除了从 `java.lang.Object` 继承的常用方法外，它仅提供按索引访问特定元素和获取数组总长度的方法。在未来 Project Valhalla 可用之前，数组是存储原始类型集合的唯一方式。 数组的两个特性使其适合基于流的处理：一是创建时长度固定，不会改变；二是元素有序。因此，`java.util.Arrays` 提供了多个便捷方法，可根据不同基本类型创建合适的流。从流创建数组则通过合适的终端操作完成。 ##### 5.1 对象类型数组 创建典型的 `Stream<T>` 可使用 `java.util.Arrays` 的两个静态便捷方法： - `<T> Stream<T> stream(T[] array)` - `<T> Stream<T> stream(T[] array, int startInclusive, int endExclusive)` 从流转换回数组可使用以下两个终端操作： - `Object[] toArray()` - `<A> A[] toArray(IntFunction<A[]> generator)` 第一个变体无论流的实际元素类型如何，只能返回 `Object[]` 数组，因为 JV