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# 32 | 加餐2：带你吃透课程中Java 8的那些重要知识点（二）
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你好，我是朱晔。
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上一讲的几个例子中，其实都涉及了Stream API的最基本使用方法。今天，我会与你详细介绍复杂、功能强大的Stream API。
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Stream流式操作，用于对集合进行投影、转换、过滤、排序等，更进一步地，这些操作能链式串联在一起使用，类似于SQL语句，可以大大简化代码。可以说，Stream操作是Java 8中最重要的内容，也是这个课程大部分代码都会用到的操作。
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我先说明下，有些案例可能不太好理解，建议你对着代码逐一到源码中查看Stream操作的方法定义，以及JDK中的代码注释。
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## Stream操作详解
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为了方便你理解Stream的各种操作，以及后面的案例，我先把这节课涉及的Stream操作汇总到了一张图中。你可以先熟悉一下。
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在接下来的讲述中，我会围绕订单场景，给出如何使用Stream的各种API完成订单的统计、搜索、查询等功能，和你一起学习Stream流式操作的各种方法。你可以结合代码中的注释理解案例，也可以自己运行源码观察输出。
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我们先定义一个订单类、一个订单商品类和一个顾客类，用作后续Demo代码的数据结构：
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```
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//订单类
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@Data
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public class Order {
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private Long id;
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private Long customerId;//顾客ID
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private String customerName;//顾客姓名
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private List<OrderItem> orderItemList;//订单商品明细
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private Double totalPrice;//总价格
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private LocalDateTime placedAt;//下单时间
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}
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//订单商品类
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@Data
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@AllArgsConstructor
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@NoArgsConstructor
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public class OrderItem {
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private Long productId;//商品ID
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private String productName;//商品名称
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private Double productPrice;//商品价格
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private Integer productQuantity;//商品数量
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}
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//顾客类
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@Data
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@AllArgsConstructor
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public class Customer {
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private Long id;
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private String name;//顾客姓名
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}
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```
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在这里，我们有一个orders字段保存了一些模拟数据，类型是List。这里，我就不贴出生成模拟数据的代码了。这不会影响你理解后面的代码，你也可以自己下载源码阅读。
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### 创建流
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要使用流，就要先创建流。创建流一般有五种方式：
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* 通过stream方法把List或数组转换为流；
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* 通过Stream.of方法直接传入多个元素构成一个流；
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* 通过Stream.iterate方法使用迭代的方式构造一个无限流，然后使用limit限制流元素个数；
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* 通过Stream.generate方法从外部传入一个提供元素的Supplier来构造无限流，然后使用limit限制流元素个数；
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* 通过IntStream或DoubleStream构造基本类型的流。
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```
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//通过stream方法把List或数组转换为流
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@Test
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public void stream()
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{
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Arrays.asList("a1", "a2", "a3").stream().forEach(System.out::println);
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Arrays.stream(new int[]{1, 2, 3}).forEach(System.out::println);
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}
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//通过Stream.of方法直接传入多个元素构成一个流
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@Test
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public void of()
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{
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String[] arr = {"a", "b", "c"};
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Stream.of(arr).forEach(System.out::println);
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Stream.of("a", "b", "c").forEach(System.out::println);
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Stream.of(1, 2, "a").map(item -> item.getClass().getName()).forEach(System.out::println);
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}
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//通过Stream.iterate方法使用迭代的方式构造一个无限流，然后使用limit限制流元素个数
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@Test
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public void iterate()
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{
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Stream.iterate(2, item -> item * 2).limit(10).forEach(System.out::println);
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Stream.iterate(BigInteger.ZERO, n -> n.add(BigInteger.TEN)).limit(10).forEach(System.out::println);
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}
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//通过Stream.generate方法从外部传入一个提供元素的Supplier来构造无限流，然后使用limit限制流元素个数
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@Test
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public void generate()
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{
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Stream.generate(() -> "test").limit(3).forEach(System.out::println);
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Stream.generate(Math::random).limit(10).forEach(System.out::println);
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}
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//通过IntStream或DoubleStream构造基本类型的流
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@Test
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public void primitive()
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{
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//演示IntStream和DoubleStream
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IntStream.range(1, 3).forEach(System.out::println);
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IntStream.range(0, 3).mapToObj(i -> "x").forEach(System.out::println);
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IntStream.rangeClosed(1, 3).forEach(System.out::println);
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DoubleStream.of(1.1, 2.2, 3.3).forEach(System.out::println);
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//各种转换，后面注释代表了输出结果
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System.out.println(IntStream.of(1, 2).toArray().getClass()); //class [I
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System.out.println(Stream.of(1, 2).mapToInt(Integer::intValue).toArray().getClass()); //class [I
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System.out.println(IntStream.of(1, 2).boxed().toArray().getClass()); //class [Ljava.lang.Object;
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System.out.println(IntStream.of(1, 2).asDoubleStream().toArray().getClass()); //class [D
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System.out.println(IntStream.of(1, 2).asLongStream().toArray().getClass()); //class [J
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//注意基本类型流和装箱后的流的区别
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Arrays.asList("a", "b", "c").stream() // Stream<String>
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.mapToInt(String::length) // IntStream
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.asLongStream() // LongStream
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.mapToDouble(x -> x / 10.0) // DoubleStream
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.boxed() // Stream<Double>
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.mapToLong(x -> 1L) // LongStream
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.mapToObj(x -> "") // Stream<String>
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.collect(Collectors.toList());
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}
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```
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### filter
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filter方法可以实现过滤操作，类似SQL中的where。我们可以使用一行代码，通过filter方法实现查询所有订单中最近半年金额大于40的订单，通过连续叠加filter方法进行多次条件过滤：
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```
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//最近半年的金额大于40的订单
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orders.stream()
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.filter(Objects::nonNull) //过滤null值
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.filter(order -> order.getPlacedAt().isAfter(LocalDateTime.now().minusMonths(6))) //最近半年的订单
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.filter(order -> order.getTotalPrice() > 40) //金额大于40的订单
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.forEach(System.out::println);
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```
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如果不使用Stream的话，必然需要一个中间集合来收集过滤后的结果，而且所有的过滤条件会堆积在一起，代码冗长且不易读。
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### map
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map操作可以做转换（或者说投影），类似SQL中的select。为了对比，我用两种方式统计订单中所有商品的数量，前一种是通过两次遍历实现，后一种是通过两次mapToLong+sum方法实现：
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```
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//计算所有订单商品数量
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//通过两次遍历实现
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LongAdder longAdder = new LongAdder();
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orders.stream().forEach(order ->
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order.getOrderItemList().forEach(orderItem -> longAdder.add(orderItem.getProductQuantity())));
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//使用两次mapToLong+sum方法实现
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assertThat(longAdder.longValue(), is(orders.stream().mapToLong(order ->
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order.getOrderItemList().stream()
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.mapToLong(OrderItem::getProductQuantity).sum()).sum()));
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```
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显然，后一种方式无需中间变量longAdder，更直观。
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这里再补充一下，使用for循环生成数据，是我们平时常用的操作，也是这个课程会大量用到的。现在，我们可以用一行代码使用IntStream配合mapToObj替代for循环来生成数据，比如生成10个Product元素构成List：
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```
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//把IntStream通过转换Stream<Project>
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System.out.println(IntStream.rangeClosed(1,10)
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.mapToObj(i->new Product((long)i, "product"+i, i*100.0))
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.collect(toList()));
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```
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### flatMap
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接下来，我们看看flatMap展开或者叫扁平化操作，相当于map+flat，通过map把每一个元素替换为一个流，然后展开这个流。
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比如，我们要统计所有订单的总价格，可以有两种方式：
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* 直接通过原始商品列表的商品个数\*商品单价统计的话，可以先把订单通过flatMap展开成商品清单，也就是把Order替换为Stream，然后对每一个OrderItem用mapToDouble转换获得商品总价，最后进行一次sum求和；
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* 利用flatMapToDouble方法把列表中每一项展开替换为一个DoubleStream，也就是直接把每一个订单转换为每一个商品的总价，然后求和。
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```
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//直接展开订单商品进行价格统计
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System.out.println(orders.stream()
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.flatMap(order -> order.getOrderItemList().stream())
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.mapToDouble(item -> item.getProductQuantity() * item.getProductPrice()).sum());
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//另一种方式flatMap+mapToDouble=flatMapToDouble
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System.out.println(orders.stream()
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.flatMapToDouble(order ->
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order.getOrderItemList()
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.stream().mapToDouble(item -> item.getProductQuantity() * item.getProductPrice()))
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.sum());
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```
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这两种方式可以得到相同的结果，并无本质区别。
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### sorted
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sorted操作可以用于行内排序的场景，类似SQL中的order by。比如，要实现大于50元订单的按价格倒序取前5，可以通过Order::getTotalPrice方法引用直接指定需要排序的依据字段，通过reversed()实现倒序：
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```
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//大于50的订单,按照订单价格倒序前5
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orders.stream().filter(order -> order.getTotalPrice() > 50)
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.sorted(comparing(Order::getTotalPrice).reversed())
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.limit(5)
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.forEach(System.out::println);
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```
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### distinct
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distinct操作的作用是去重，类似SQL中的distinct。比如下面的代码实现：
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* 查询去重后的下单用户。使用map从订单提取出购买用户，然后使用distinct去重。
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* 查询购买过的商品名。使用flatMap+map提取出订单中所有的商品名，然后使用distinct去重。
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```
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//去重的下单用户
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System.out.println(orders.stream().map(order -> order.getCustomerName()).distinct().collect(joining(",")));
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//所有购买过的商品
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System.out.println(orders.stream()
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.flatMap(order -> order.getOrderItemList().stream())
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.map(OrderItem::getProductName)
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.distinct().collect(joining(",")));
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```
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### skip & limit
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skip和limit操作用于分页，类似MySQL中的limit。其中，skip实现跳过一定的项，limit用于限制项总数。比如下面的两段代码：
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* 按照下单时间排序，查询前2个订单的顾客姓名和下单时间；
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* 按照下单时间排序，查询第3和第4个订单的顾客姓名和下单时间。
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```
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//按照下单时间排序，查询前2个订单的顾客姓名和下单时间
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orders.stream()
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.sorted(comparing(Order::getPlacedAt))
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.map(order -> order.getCustomerName() + "@" + order.getPlacedAt())
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.limit(2).forEach(System.out::println);
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//按照下单时间排序，查询第3和第4个订单的顾客姓名和下单时间
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orders.stream()
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.sorted(comparing(Order::getPlacedAt))
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.map(order -> order.getCustomerName() + "@" + order.getPlacedAt())
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.skip(2).limit(2).forEach(System.out::println);
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```
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### collect
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collect是收集操作，对流进行终结（终止）操作，把流导出为我们需要的数据结构。“终结”是指，导出后，无法再串联使用其他中间操作，比如filter、map、flatmap、sorted、distinct、limit、skip。
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在Stream操作中，collect是最复杂的终结操作，比较简单的终结操作还有forEach、toArray、min、max、count、anyMatch等，我就不再展开了，你可以查询[JDK文档](https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/stream/Stream.html)，搜索terminal operation或intermediate operation。
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接下来，我通过6个案例，来演示下几种比较常用的collect操作：
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* 第一个案例，实现了字符串拼接操作，生成一定位数的随机字符串。
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* 第二个案例，通过Collectors.toSet静态方法收集为Set去重，得到去重后的下单用户，再通过Collectors.joining静态方法实现字符串拼接。
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* 第三个案例，通过Collectors.toCollection静态方法获得指定类型的集合，比如把List转换为LinkedList。
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* 第四个案例，通过Collectors.toMap静态方法将对象快速转换为Map，Key是订单ID、Value是下单用户名。
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* 第五个案例，通过Collectors.toMap静态方法将对象转换为Map。Key是下单用户名，Value是下单时间，一个用户可能多次下单，所以直接在这里进行了合并，只获取最近一次的下单时间。
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* 第六个案例，使用Collectors.summingInt方法对商品数量求和，再使用Collectors.averagingInt方法对结果求平均值，以统计所有订单平均购买的商品数量。
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```
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//生成一定位数的随机字符串
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System.out.println(random.ints(48, 122)
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.filter(i -> (i < 57 || i > 65) && (i < 90 || i > 97))
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.mapToObj(i -> (char) i)
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.limit(20)
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.collect(StringBuilder::new, StringBuilder::append, StringBuilder::append)
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.toString());
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//所有下单的用户，使用toSet去重后实现字符串拼接
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System.out.println(orders.stream()
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.map(order -> order.getCustomerName()).collect(toSet())
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.stream().collect(joining(",", "[", "]")));
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//用toCollection收集器指定集合类型
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System.out.println(orders.stream().limit(2).collect(toCollection(LinkedList::new)).getClass());
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//使用toMap获取订单ID+下单用户名的Map
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orders.stream()
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.collect(toMap(Order::getId, Order::getCustomerName))
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.entrySet().forEach(System.out::println);
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//使用toMap获取下单用户名+最近一次下单时间的Map
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orders.stream()
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.collect(toMap(Order::getCustomerName, Order::getPlacedAt, (x, y) -> x.isAfter(y) ? x : y))
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.entrySet().forEach(System.out::println);
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//订单平均购买的商品数量
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System.out.println(orders.stream().collect(averagingInt(order ->
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order.getOrderItemList().stream()
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.collect(summingInt(OrderItem::getProductQuantity)))));
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```
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可以看到，这6个操作使用Stream方式一行代码就可以实现，但使用非Stream方式实现的话，都需要几行甚至十几行代码。
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有关Collectors类的一些常用静态方法，我总结到了一张图中，你可以再整理一下思路：
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其中，groupBy和partitionBy比较复杂，我和你举例介绍。
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### groupBy
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groupBy是分组统计操作，类似SQL中的group by子句。它和后面介绍的partitioningBy都是特殊的收集器，同样也是终结操作。分组操作比较复杂，为帮你理解得更透彻，我准备了8个案例：
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* 第一个案例，按照用户名分组，使用Collectors.counting方法统计每个人的下单数量，再按照下单数量倒序输出。
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* 第二个案例，按照用户名分组，使用Collectors.summingDouble方法统计订单总金额，再按总金额倒序输出。
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* 第三个案例，按照用户名分组，使用两次Collectors.summingInt方法统计商品采购数量，再按总数量倒序输出。
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* 第四个案例，统计被采购最多的商品。先通过flatMap把订单转换为商品，然后把商品名作为Key、Collectors.summingInt作为Value分组统计采购数量，再按Value倒序获取第一个Entry，最后查询Key就得到了售出最多的商品。
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* 第五个案例，同样统计采购最多的商品。相比第四个案例排序Map的方式，这次直接使用Collectors.maxBy收集器获得最大的Entry。
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* 第六个案例，按照用户名分组，统计用户下的金额最高的订单。Key是用户名，Value是Order，直接通过Collectors.maxBy方法拿到金额最高的订单，然后通过collectingAndThen实现Optional.get的内容提取，最后遍历Key/Value即可。
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* 第七个案例，根据下单年月分组统计订单ID列表。Key是格式化成年月后的下单时间，Value直接通过Collectors.mapping方法进行了转换，把订单列表转换为订单ID构成的List。
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* 第八个案例，根据下单年月+用户名两次分组统计订单ID列表，相比上一个案例多了一次分组操作，第二次分组是按照用户名进行分组。
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```
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//按照用户名分组，统计下单数量
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System.out.println(orders.stream().collect(groupingBy(Order::getCustomerName, counting()))
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.entrySet().stream().sorted(Map.Entry.<String, Long>comparingByValue().reversed()).collect(toList()));
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//按照用户名分组，统计订单总金额
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System.out.println(orders.stream().collect(groupingBy(Order::getCustomerName, summingDouble(Order::getTotalPrice)))
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.entrySet().stream().sorted(Map.Entry.<String, Double>comparingByValue().reversed()).collect(toList()));
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//按照用户名分组，统计商品采购数量
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System.out.println(orders.stream().collect(groupingBy(Order::getCustomerName,
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summingInt(order -> order.getOrderItemList().stream()
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.collect(summingInt(OrderItem::getProductQuantity)))))
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.entrySet().stream().sorted(Map.Entry.<String, Integer>comparingByValue().reversed()).collect(toList()));
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//统计最受欢迎的商品，倒序后取第一个
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orders.stream()
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.flatMap(order -> order.getOrderItemList().stream())
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.collect(groupingBy(OrderItem::getProductName, summingInt(OrderItem::getProductQuantity)))
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.entrySet().stream()
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.sorted(Map.Entry.<String, Integer>comparingByValue().reversed())
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.map(Map.Entry::getKey)
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.findFirst()
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.ifPresent(System.out::println);
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//统计最受欢迎的商品的另一种方式，直接利用maxBy
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orders.stream()
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.flatMap(order -> order.getOrderItemList().stream())
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.collect(groupingBy(OrderItem::getProductName, summingInt(OrderItem::getProductQuantity)))
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.entrySet().stream()
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.collect(maxBy(Map.Entry.comparingByValue()))
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.map(Map.Entry::getKey)
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.ifPresent(System.out::println);
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//按照用户名分组，选用户下的总金额最大的订单
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orders.stream().collect(groupingBy(Order::getCustomerName, collectingAndThen(maxBy(comparingDouble(Order::getTotalPrice)), Optional::get)))
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.forEach((k, v) -> System.out.println(k + "#" + v.getTotalPrice() + "@" + v.getPlacedAt()));
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//根据下单年月分组，统计订单ID列表
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System.out.println(orders.stream().collect
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(groupingBy(order -> order.getPlacedAt().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyyMM")),
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mapping(order -> order.getId(), toList()))));
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//根据下单年月+用户名两次分组，统计订单ID列表
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System.out.println(orders.stream().collect
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|
(groupingBy(order -> order.getPlacedAt().format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyyMM")),
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|
groupingBy(order -> order.getCustomerName(),
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|
mapping(order -> order.getId(), toList())))));
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```
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如果不借助Stream转换为普通的Java代码，实现这些复杂的操作可能需要几十行代码。
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### partitionBy
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partitioningBy用于分区，分区是特殊的分组，只有true和false两组。比如，我们把用户按照是否下单进行分区，给partitioningBy方法传入一个Predicate作为数据分区的区分，输出是Map<Boolean, List<T>>：
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public static <T>
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Collector<T, ?, Map<Boolean, List<T>>> partitioningBy(Predicate<? super T> predicate) {
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return partitioningBy(predicate, toList());
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}
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测试一下，partitioningBy配合anyMatch，可以把用户分为下过订单和没下过订单两组：
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//根据是否有下单记录进行分区
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System.out.println(Customer.getData().stream().collect(
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partitioningBy(customer -> orders.stream().mapToLong(Order::getCustomerId)
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.anyMatch(id -> id == customer.getId()))));
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## 重点回顾
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今天，我用了大量的篇幅和案例，和你展开介绍了Stream中很多具体的流式操作方法。有些案例可能不太好理解，我建议你对着代码逐一到源码中查看这些操作的方法定义，以及JDK中的代码注释。
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最后，我建议你思考下，在日常工作中还会使用SQL统计哪些信息，这些SQL是否也可以用Stream来改写呢？Stream的API博大精深，但其中又有规律可循。这其中的规律主要就是，理清楚这些API传参的函数式接口定义，就能搞明白到底是需要我们提供数据、消费数据、还是转换数据等。那，掌握Stream的方法便是，多测试多练习，以强化记忆、加深理解。
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今天用到的代码，我都放在了GitHub上，你可以点击[这个链接](https://github.com/JosephZhu1983/java-common-mistakes)查看。
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## 思考与讨论
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1. 使用Stream可以非常方便地对List做各种操作，那有没有什么办法可以实现在整个过程中观察数据变化呢？比如，我们进行filter+map操作，如何观察filter后map的原始数据呢？
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2. Collectors类提供了很多现成的收集器，那我们有没有办法实现自定义的收集器呢？比如，实现一个MostPopularCollector，来得到List中出现次数最多的元素，满足下面两个测试用例：
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assertThat(Stream.of(1, 1, 2, 2, 2, 3, 4, 5, 5).collect(new MostPopularCollector<>()).get(), is(2));
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assertThat(Stream.of('a', 'b', 'c', 'c', 'c', 'd').collect(new MostPopularCollector<>()).get(), is('c'));
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关于Java 8，你还有什么使用心得吗？我是朱晔，欢迎在评论区与我留言分享你的想法，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友或同事，一起交流。
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