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# 25 | 集合操作符：你也会“看完就忘”吗？
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你好，我是朱涛。
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从这节课开始，我们就正式进入源码篇的学习了。当我们学习一门知识的时候，总是离不开What、Why和How。在前面的基础篇、协程篇当中，我们已经弄清楚了 **Kotlin是什么**，以及**为什么要用Kotlin**。那么在这个模块里，我们主要是来解决How的问题，以此从根源上搞清楚Kotlin的底层实现原理。今天这节课，我们先来搞定集合操作符的用法与原理。
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对于大部分Java、C开发者来说，可能都会对Kotlin的集合操作符感到头疼，因为它们实在太多、太乱了。即使通过Kotlin官方文档把那些操作符一个个过了一遍，但过一段时间在代码中遇到它们，又会觉得陌生。**一看就会，看完就忘**！
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其实，Kotlin的集合API，本质上是一种**数据处理的模式**。
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什么是数据处理模式？可以想象一下：对于1~10的数字来说，我们找出其中的偶数，那么这就是一种过滤的行为。我们计算出1~10的总和，那么这就是一种求和的行为。所以从数据操作的角度来看，Kotlin的操作符就可以分为几个大类：过滤、转换、分组、分割、求和。
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那么接下来，我会根据一个统计学生成绩的案例，来带你分析Kotlin的集合API的使用场景，对于复杂的API，我还会深入源码分析它们是如何实现的。这样你也就知道，集合操作符的底层实现原理，也能懂得如何在工作中灵活运用它们来解决实际问题。
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好，让我们开始吧！
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## 场景模拟：统计学生成绩
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为了研究Kotlin集合API的使用场景，我们先来模拟一个实际的生活场景：统计学生成绩。
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```plain
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data class Student(
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val name: String = "",
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val score: Int = 0
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)
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val class1 = listOf(
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Student("小明", 83),
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Student("小红", 92),
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Student("小李", 50),
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Student("小白", 67),
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Student("小琳", 72),
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Student("小刚", 97),
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Student("小强", 57),
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Student("小林", 86)
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)
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val class2 = listOf(
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Student("大明", 80),
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Student("大红", 97),
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Student("大李", 53),
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Student("大白", 64),
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Student("大琳", 76),
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Student("大刚", 92),
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Student("大强", 58),
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Student("大林", 88)
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|
)
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```
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这里我们定义了一个数据类Student，然后有一个集合，当中对应的就是学生的名字和成绩。
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接下来，我们就以这个场景来研究Kotlin的集合API。
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## 过滤
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比如说，我们希望过滤1班里不及格的学生，我们就可以用 **filter{}** 这个操作符，这里的filter其实就是过滤的意思。
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```plain
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private fun filterNotPass() {
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val result = class1.filter { it.score < 60 }
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println(result)
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}
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/*
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[Student(name=小李, score=50), Student(name=小强, score=57)]
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*/
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```
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以上代码段的逻辑很简单，读起来就像英语文本一样，这里我们重点来看看filter{} 的源代码：
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```plain
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public inline fun <T> Iterable<T>.filter(predicate: (T) -> Boolean): List<T> {
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// 创建了新的ArrayList<T>()集合
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return filterTo(ArrayList<T>(), predicate)
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}
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public inline fun <T, C : MutableCollection<in T>> Iterable<T>.filterTo(destination: C, predicate: (T) -> Boolean): C {
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for (element in this) if (predicate(element)) destination.add(element)
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return destination
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|
}
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```
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可以看到filter{} 其实是一个高阶函数，它只有唯一的参数“predicate: (T) -> Boolean”，这就是它的**过滤条件及过滤标准**，只有符合这个过滤条件的数据才会被保留下来。
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而且，对于List.filter{} 来说，它的内部还会创建一个新的 `ArrayList<T>()`，然后将符合过滤条件的元素添加进去，再返回这个新的集合。
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而除了filter{} 以外，Kotlin还提供了filterIndexed{}，它的作用其实和filter{} 一样，只是会额外带上集合元素的index，即它的参数类型是“predicate: (index: Int, T) -> Boolean”。
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还有一个是filterIsInstance()，这是我们在[第12讲](https://time.geekbang.org/column/article/481787)当中使用过的API，它的作用是过滤集合当中特定类型的元素。如下所示：
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```plain
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// 12讲当中的代码
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inline fun <reified T> create(): T {
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return Proxy.newProxyInstance(
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T::class.java.classLoader,
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arrayOf(T::class.java)
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) { proxy, method, args ->
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return@newProxyInstance method.annotations
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// 注意这里
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.filterIsInstance<GET>()
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.takeIf { it.size == 1 }
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?.let { invoke("$baseUrl${it[0].value}", method, args) }
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} as T
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}
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// inline + reified = 类型实化
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// ↓ ↓
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public inline fun <reified R> Iterable<*>.filterIsInstance(): List<@kotlin.internal.NoInfer R> {
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return filterIsInstanceTo(ArrayList<R>())
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}
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// inline + reified = 类型实化
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// ↓ ↓
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public inline fun <reified R, C : MutableCollection<in R>> Iterable<*>.filterIsInstanceTo(destination: C): C {
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for (element in this) if (element is R) destination.add(element)
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return destination
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}
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```
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可以看到，filterIsInstance的源代码逻辑也非常简单，其中最关键的，就是它借助了inline、reified这两个关键字，实现了**类型实化**。这个知识点我们在12讲当中也介绍过，它的作用就是让Kotlin的“伪泛型”变成“真泛型”。
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好，Kotlin集合API当中的过滤操作我们也就分析完了。接下来我们看看**转换**API。
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## 转换
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现在，我们还是基于学生成绩统计的场景。不过，这次的需求是要把学生的名字隐藏掉一部分，原本的“小明”“小红”，要统一变成“小某某”。
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那么对于这样的需求，我们用 **map{}** 就可以实现了。
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```plain
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private fun mapName() {
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val result = class1.map { it.copy(name = "小某某") }
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println(result)
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}
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/*
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[Student(name=小某某, score=83),
|
|||
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|
Student(name=小某某, score=92),
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|||
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|
Student(name=小某某, score=50),
|
|||
|
|
Student(name=小某某, score=67),
|
|||
|
|
Student(name=小某某, score=72),
|
|||
|
|
Student(name=小某某, score=97),
|
|||
|
|
Student(name=小某某, score=57),
|
|||
|
|
Student(name=小某某, score=86)]
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*/
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```
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这里需要注意，虽然map这个单词的意思是“地图”，但在当前的语境下，map其实是**转换、映射**的意思，这时候，我们脑子要想到的是HashMap当中的map含义。
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另外，map的源码也很简单：
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```plain
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public inline fun <T, R> Iterable<T>.map(transform: (T) -> R): List<R> {
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return mapTo(ArrayList<R>(collectionSizeOrDefault(10)), transform)
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|
}
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public inline fun <T, R, C : MutableCollection<in R>> Iterable<T>.mapTo(destination: C, transform: (T) -> R): C {
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for (item in this)
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|||
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destination.add(transform(item))
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return destination
|
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|
}
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```
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本质上，map就是对每一个集合元素都进行一次transform()方法的调用，它的类型是“transform: (T) -> R”。
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除了map以外，还有一个比较有用的转换API，**flatten**。它的作用是将嵌套的集合“**展开、铺平**成为一个非嵌套的集合”。我们来看一个简单的例子：
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```plain
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private fun testFlatten() {
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val list = listOf(listOf(1, 2, 3), listOf(4, 5, 6))
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val result = list.flatten()
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println(result)
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|
}
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|||
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/*
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|||
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|
[1, 2, 3, 4, 5, 6]
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|
*/
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|||
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```
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假设，我们现在想要过滤出1班、2班当中所有未及格的同学，我们就可以结合flatten、filter来实现。
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```plain
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private fun filterAllNotPass() {
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val result = listOf(class1, class2)
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.flatten()
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.filter { it.score < 60 }
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println(result)
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|
}
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// flatten 源代码
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public fun <T> Iterable<Iterable<T>>.flatten(): List<T> {
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val result = ArrayList<T>()
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for (element in this) {
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result.addAll(element) // 注意addAll()
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}
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return result
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}
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/*
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[Student(name=小李, score=50),
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|||
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|
Student(name=小强, score=57),
|
|||
|
|
Student(name=大李, score=53),
|
|||
|
|
Student(name=大强, score=58)]
|
|||
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*/
|
|||
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```
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在上面的代码中，我们首先将嵌套的集合用flatten展平，得到1班、2班所有同学的成绩，然后直接使用filter就完成了。
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另外，如果你去看flatten的源代码，你也会发现它的代码非常简单。本质上，flatten就是一个for循环，然后对每一个内部集合进行addAll()。
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下面我们接着来看看分组API。
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## 分组
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现在，我们还是基于学生成绩统计的场景。这次，我们希望把学生们按照成绩的分数段进行分组：50~59的学生为一组、60~69的学生为一组、70~79的学生为一组，以此类推。
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对于这样的需求，我们可以使用Kotlin提供的 **groupBy{}**。比如说：
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```plain
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private fun groupStudent() {
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val result = class1.groupBy { "${it.score / 10}0分组" }
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println(result)
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|
}
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|||
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|||
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|
/*
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{
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|
80分组=[Student(name=小明, score=83), Student(name=小林, score=86)],
|
|||
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|
90分组=[Student(name=小红, score=92), Student(name=小刚, score=97)],
|
|||
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|
50分组=[Student(name=小李, score=50), Student(name=小强, score=57)],
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|
|
60分组=[Student(name=小白, score=67)],
|
|||
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|
70分组=[Student(name=小琳, score=72)]}
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*/
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```
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groupBy{} 的意思就是**以什么标准进行分组**。在这段代码里，我们是以分数除以10得到的数字进行分组的，最终它的返回值类型其实是 `Map<String, List<Student>>`。
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在[加餐1](https://time.geekbang.org/column/article/478106)当中，其实我们也用过groupBy来完善那个单词频率统计程序：
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```plain
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fun processText(text: String): List<WordFreq> {
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return text
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.clean()
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.split(" ")
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.filter { it != "" }
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.groupBy { it } // 注意这里
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.map { WordFreq(it.key, it.value.size) }
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.sortedByDescending { it.frequency }
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|
}
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```
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上面代码中的groupBy，作用就是将所有的单词按照单词本身进行分类，在这个阶段它的返回值是 `Map<String, List<String>>`。
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|
我们也再来看看groupBy的源代码。
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```plain
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|
public inline fun <T, K> Iterable<T>.groupBy(keySelector: (T) -> K): Map<K, List<T>> {
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|
return groupByTo(LinkedHashMap<K, MutableList<T>>(), keySelector)
|
|||
|
|
}
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|
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|
public inline fun <T, K, M : MutableMap<in K, MutableList<T>>> Iterable<T>.groupByTo(destination: M, keySelector: (T) -> K): M {
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for (element in this) {
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|
|
val key = keySelector(element)
|
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|
|
// 注意这里
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val list = destination.getOrPut(key) { ArrayList<T>() }
|
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|
|
list.add(element)
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
return destination
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
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|
public inline fun <K, V> MutableMap<K, V>.getOrPut(key: K, defaultValue: () -> V): V {
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val value = get(key)
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return if (value == null) {
|
|||
|
|
val answer = defaultValue()
|
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|
|
put(key, answer)
|
|||
|
|
answer
|
|||
|
|
} else {
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value
|
|||
|
|
}
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|
|
}
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|
```
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|
从groupBy的源代码中我们可以看到，它的本质就是用for循环遍历元素，然后使用keySelector()计算出Map的Key，再把其中所有的元素添加到对应Key当中去。注意，在代码这里使用了一个 `getOrPut(key) { ArrayList<T>() }`，它的作用就是尝试获取对应的key的值，如果不存在的话，就将 `ArrayList<T>()` 存进去。
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好，接下来，我们看看Kotlin的**分割API**。
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## 分割
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还是基于学生成绩统计的场景。这次，我们希望找出前三名和倒数后三名的学生。做法其实也很简单，我们使用 **take()** 就可以实现了。
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```plain
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|
private fun takeStudent() {
|
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|
val first3 = class1
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|
|
.sortedByDescending { it.score }
|
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|
|
.take(3)
|
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|
|
|
|||
|
|
val last3 = class1
|
|||
|
|
.sortedByDescending { it.score }
|
|||
|
|
.takeLast(3)
|
|||
|
|
|
|||
|
|
println(first3)
|
|||
|
|
println(last3)
|
|||
|
|
}
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|||
|
|
|
|||
|
|
/*
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|||
|
|
[Student(name=小刚, score=97), Student(name=小红, score=92), Student(name=小林, score=86)]
|
|||
|
|
[Student(name=小白, score=67), Student(name=小强, score=57), Student(name=小李, score=50)]
|
|||
|
|
*/
|
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|
|
|
|||
|
|
```
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|
在上面的代码中，我们先按照分数进行了降序排序，然后使用了take、takeLast从列表当中取出前三个和后三个数据，它们分别代表了：成绩排在前三名、后三名的同学。
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而除了take以外，还有drop、dropLast，它们的作用是**剔除**。
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|
```plain
|
|||
|
|
private fun dropStudent() {
|
|||
|
|
val middle = class1
|
|||
|
|
.sortedByDescending { it.score }
|
|||
|
|
.drop(3)
|
|||
|
|
.dropLast(3)
|
|||
|
|
// 剔除前三名、后三名，剩余的学生
|
|||
|
|
println(middle)
|
|||
|
|
}
|
|||
|
|
|
|||
|
|
/*
|
|||
|
|
[Student(name=小明, score=83), Student(name=小琳, score=72)]
|
|||
|
|
*/
|
|||
|
|
|
|||
|
|
```
|
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|
|
|
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|
|
在上面的代码中，我们先把学生按照分数降序排序，然后剔除了前三名和后三名，得到了中间部分的学生。
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另外Kotlin还提供了 **slice**，使用这个API，我们同样可以取出学生中的前三名、后三名。
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private fun sliceStudent() {
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val first3 = class1
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.sortedByDescending { it.score }
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.slice(0..2)
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val size = class1.size
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val last3 = class1
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.sortedByDescending { it.score }
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.slice(size - 3 until size)
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println(first3)
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println(last3)
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}
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/*
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[Student(name=小刚, score=97), Student(name=小红, score=92), Student(name=小林, score=86)]
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[Student(name=小白, score=67), Student(name=小强, score=57), Student(name=小李, score=50)]
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*/
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可以看到，slice的作用是根据index来分割集合的，当它与Range（特定范围）相结合的时候，代码的可读性也是不错的。
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## 求和
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我们接着来看Kotlin的求和API。这一次还是基于学生成绩统计的场景，我们希望计算全班学生的总分。
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我们可以使用Kotlin提供的**sumOf、reduce、fold**。
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private fun sumScore() {
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val sum1 = class1.sumOf { it.score }
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val sum2 = class1
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.map { it.score }
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.reduce { acc, score -> acc + score }
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val sum3 = class1
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.map { it.score }
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.fold(0) { acc, score -> acc + score }
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println(sum1)
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println(sum2)
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println(sum3)
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}
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/*
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604
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604
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604
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*/
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```
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总的来说，sumOf能做到的事情，reduce可以想办法做；而reduce可以做到的事情，fold也可以做到。它们的使用场景是具备包含关系的。
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* **sumOf{}** 仅可以用于数字类型的数据进行求和的场景。
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* **reduce**本质上是对数据进行遍历，然后进行某种“广义求和”的操作，这里不局限于数字类型。我们使用reduce，也可以进行字符串拼接。相当于说，这里的求和规则，是我们从外部传进来的。
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* **fold**对比reduce来说，只是多了一个初始值，其他都跟reduce一样。
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比如，下面这段代码，我们就使用了reduce、fold进行了字符串拼接：
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private fun joinScore() {
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val sum2 = class1
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.map { it.score.toString() }
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.reduce { acc, score -> acc + score }
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val sum3 = class1
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.map { it.score.toString() }
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.fold("Prefix=") { acc, score -> acc + score }
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println(sum2)
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println(sum3)
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}
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/*
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8392506772975786
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Prefix=8392506772975786
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*/
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```
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所以，reduce就是fold的一种特殊情况。也就是说，fold不需要初始值的时候，就是reduce。我们可以来看看它们的源码定义：
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public inline fun <S, T : S> Iterable<T>.reduce(operation: (acc: S, T) -> S): S {
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val iterator = this.iterator()
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if (!iterator.hasNext()) throw UnsupportedOperationException("Empty collection can't be reduced.")
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var accumulator: S = iterator.next()
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while (iterator.hasNext()) {
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accumulator = operation(accumulator, iterator.next())
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}
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return accumulator
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}
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public inline fun <T, R> Iterable<T>.fold(initial: R, operation: (acc: R, T) -> R): R {
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var accumulator = initial
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for (element in this) accumulator = operation(accumulator, element)
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return accumulator
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}
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根据以上定义，可以发现fold和reduce的名字虽然看起来很高大上，但它们的实现原理其实非常简单，就是一个简单的for循环。而reduce之所以看起来比fold要复杂一点的原因在于，**reduce需要兼容集合为空的情况，fold不需要，因为fold具备初始值**。
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## 小结
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好，这节课的内容就到这里了，我们来做一个简单的总结。
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Kotlin的集合API，主要分为这几个大类：过滤、转换、分组、分割、求和。
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* 过滤，filter、filterIsInstance，前者是以**条件过滤**，后者是以**类型过滤**，后者运用了Kotlin的**类型实化**。
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* 转换，map、flatten，前者是**转换集合元素**，后者是**转换集合的嵌套层级**，flatten会把嵌套的集合**展平**。
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* 分组，groupBy，即**以什么标准进行分组**，它的返回值类型往往会是 `Map<K, List<T>>`。
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* 分割，take、drop、slice。take代表从集合中**提取**，drop代表从集合中**剔除**，slice代表以**特定范围**（Range）进行切割。
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* 求和，sumOf、reduce、fold。sumOf只适用于数字类型的求和，reduce、fold则能够以特定规则对集合元素进行“广义的求和”，其中的“求和规则”我们可以灵活自定义，比如字符串拼接。
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其实，经过前面几十节课的学习，现在我们分析Kotlin集合的源代码，整个过程都是非常轻松的。因为它们无非就是**高阶函数与for循环的简单结合**。而你需要特别注意的是，以上所有的操作符，都不会修改原本的集合，它们返回的集合是一个全新的集合。这也体现出了Kotlin推崇的不变性和无副作用这两个特性。
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另外正如我前面所讲的，Kotlin的集合API，不仅仅是Kotlin集合特有的API，而是一种广泛存在的**数据处理的模式**。所以你会发现，Kotlin的集合操作符跟Kotlin的Sequence、Flow里面的操作符也是高度重叠的。不仅如此，这些操作符跟Java 8、C#、Scala、Python等语言的API也高度重叠。
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而这就意味着，通过这节课的学习，你不仅可以对Kotlin的Flow、Sequence有更全面的认识，将来你接触其他计算机语言的时候，也可以轻松上手。
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## 思考题
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前面我们提到过，Kotlin的集合操作符都不会修改原本的集合，它们返回的集合是一个全新的集合。这恰好就体现出了Kotlin推崇的不变性和无副作用的特点。那么请问，这样的方式是否存在劣势？我们平时该如何取舍？
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