阿里二面:Java8的Stream api是迭代一次还是迭代多次

开发 后端
本篇带给大家一道关于Java8的Stream api是迭代一次还是迭代多次的面试题,希望对你有所帮助!

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面试官:java8新增的stream api用过吗?

:这个必须用过啊。

面试官:给你下面一个字符串数组,如果用stream api来实现,找出以字符'a'开头长度最大的字符串,使用stream api该怎么实现呢?

  1. {"abb","abcd","fegc","efe","adfes"

:用下面这个方法来实现:

  1. public static void maxLength(List<String> list){ 
  2.     System.out.println(list.stream().filter(s -> s.startsWith("a")).mapToInt(r -> length(r)).max().orElse(0));; 

面试官:这个操作是迭代一次还是迭代两次呢?也就是说是先迭代一遍,过滤出以字符'a'开头的字符串数组,然后再迭代一次,找出最大长度,还是一次迭代完成呢?

:这个是迭代一次完成,如果要是迭代多次,stream后面的操作函数很多的情况下效率会非常低。我们加个打印可以来验证结果,代码如下:

  1. public static void main(String[] args) { 
  2.     List<String> list = Arrays.asList("abb""abcd""fegc""efe""adfes"); 
  3.     int maxLength = list.stream(). 
  4.           filter(s -> isStartWitha(s)). 
  5.     mapToInt(StreamTest1::length). 
  6.     max().orElse(0); 
  7.     System.out.println("以字符a开头的字符串最大长度:" + maxLength); 
  8.  
  9. private static boolean isStartWitha(String a){ 
  10.     System.out.println(a + " is start with a:" + a.startsWith("a")); 
  11.     return a.startsWith("a"); 
  12.  
  13. private static int length(String a){ 
  14.     System.out.println("the length of" + a + ":" + a.length()); 
  15.     return a.length(); 

打印结果如下:

  1. abb is start with a:true 
  2. the length of abb:3 
  3. abcd is start with a:true 
  4. the length of abcd:4 
  5. fegc is start with a:false 
  6. efe is start with a:false 
  7. adfes is start with a:true 
  8. the length of adfes:5 
  9. 以字符a开头的字符串最大长度:5 

面试官:你确定只是迭代一次吗?有其他情况吗?

:有。filter是一个无状态的中间操作,对于这个中间操作来说,stream处理只需要迭代一次。但是对于有状态的中间操作,就需要迭代多次。

面试官:你刚刚提到有状态的操作和无状态的操作,这个是怎么区分呢?

:在stream api中,无状态的操作是指当前元素的操作不受前面元素的影响,主要包括如下方法:

  1. filter(),flatMap(),flatMapToInt(),flatMapToLong(),flatMapToDouble(),map(),mapToInt(),mapToDouble(),mapToLong(),peek(),unordered() 

而有状态的操作是指需要等所有元素处理完之后才能执行当前操作,主要包括下面方法:

  1. distinct(),limit(),skip(),sorted(),sorted()  

面试官:有状态的操作,能举个例子吗?

:比如下面这段代码:

  1. public static void main(String[] args) { 
  2.     List<Integer> list = Arrays.asList(5, 2, 3, 1, 4); 
  3.  
  4.     List<Integer> newArray = list.stream() 
  5.             .map(StreamTest2::map1) 
  6.             .sorted((o1, o2) -> o1 - o2) 
  7.             .map(StreamTest2::map2) 
  8.             .collect(Collectors.toList()); 
  9.     System.out.println("新的有序数组:" + newArray); 
  10.  
  11. private static Integer map1(Integer i) { 
  12.     int result = i * 10; 
  13.     System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName() + " 方法map1入参:" + i + ",输出:" + result); 
  14.     return result; 
  15.  
  16. private static Integer map2(Integer i) { 
  17.     int result = i * 10; 
  18.     System.out.println("线程:" + Thread.currentThread().getName() + " 方法map2入参:" + i + ",输出:" + result); 
  19.     return result; 

上面代码中,对原始数组进行了两次迭代,第一次迭代对所有数组元素都调用了map1方法乘以10,然后对新数组进行排序,第二次迭代对排序后的数组元素调用map2方法,即对排序后的数组元素乘以10。方法输出如下:

  1. 线程:main 方法map1入参:5,输出:50 
  2. 线程:main 方法map1入参:2,输出:20 
  3. 线程:main 方法map1入参:3,输出:30 
  4. 线程:main 方法map1入参:1,输出:10 
  5. 线程:main 方法map1入参:4,输出:40 
  6. 线程:main 方法map2入参:10,输出:100 
  7. 线程:main 方法map2入参:20,输出:200 
  8. 线程:main 方法map2入参:30,输出:300 
  9. 线程:main 方法map2入参:40,输出:400 
  10. 线程:main 方法map2入参:50,输出:500 
  11. 新的有序数组:[100, 200, 300, 400, 500] 

面试官:了解过底层原理吗?

:我来先画一下Stream的UML类图:

这个类图说明以下几点:

  • AbstractPipeline有基本类型的子类,如LongPipeline和DoublePipeline,还有一个引用类型的子类ReferencePipeline。
  • 无论是ReferencePipeline,还是LongPipeline和DoublePipeline等基本类型的Pipeline,都有3个内部类来继承自己。
  • StatelessOp对应无状态的操作,StatefulOp对应有状态的操作,Head对应Collection.stream()方法返回结果。
  • 无论是StatelessOp、StatefulOp还是Head,都是一个Pipeline,这些Pipeline用双向链表串联起来,每个Pipeline节点被看作一个Stage,Head是链表的头结点。上面UML类图中AbstractPipeline类中previousStage和nextStage就代表双向链表当前节点指向前后节点的引用。如下图:

面试官:上面用双向链表把所有操作都串联起来了,这样可以实现从Head节点开始依次执行所有的操作。但是这些操作怎么叠加在一起呢?比如下面这段代码有三个map方法,后面的方法要依赖前面的计算结果:

  1. List<Integer> list = Arrays.asList(5, 2, 3, 1, 4); 
  2. List<Integer> newArray = list.stream().map(StreamTest2::map1).map(StreamTest2::map2).map(StreamTest2::map3).collect(Collectors.toList()); 

:Stream提供了Sink接口来处理操作的叠加。上面代码的map方法把操作封装到了Sink,每个节点执行操作时,调用Sink的accept方法就可以把操作结果传给下一个节点的Sink。比如map方法源代码如下:

  1. public final <R> Stream<R> map(Function<? super P_OUT, ? extends R> mapper) { 
  2.     Objects.requireNonNull(mapper); 
  3.     return new StatelessOp<P_OUT, R>(this, StreamShape.REFERENCE, 
  4.                                  StreamOpFlag.NOT_SORTED | StreamOpFlag.NOT_DISTINCT) { 
  5.         @Override 
  6.     //返回包装成的Sink 
  7.         Sink<P_OUT> opWrapSink(int flags, Sink<R> sink) { 
  8.             return new Sink.ChainedReference<P_OUT, R>(sink) { 
  9.                 @Override 
  10.                 public void accept(P_OUT u) { 
  11.             //downstream是下游节点的Sink,把当前节点的执行结果传给下游节点 
  12.                     downstream.accept(mapper.apply(u)); 
  13.                 } 
  14.             }; 
  15.         } 
  16.     }; 

面试官:能详细讲一下Sink吗?

:Sink主要提供了下面4个方法

  1. //执行操作之前调用这个方法 
  2. void begin(long size
  3. //执行操作之后调用这个方法 
  4. void end() 
  5. //是否可以结束操作 
  6. boolean cancellationRequested() 
  7. //操作执行函数 
  8. void accept() 

对于有状态的操作,必须实现begin和end两个方法,因为begin方法会创建一个存放中间结果的容器,accept方法将元素放入该容器,end方法负责对容器中元素处理,比如排序。

面试官:那cancellationRequested方法什么时候用呢?

:这个方法用于短路操作,比如stream.findAny。

面试官:你刚刚提到短路操作,怎么区分短路操作和非短路操作呢?

:短路操作和非短路操作都是Stream的结束操作,结束操作是针对中间操作来说的。短路操作是指不用处理全部元素就可以结束,包括下面的方法:

  1. anyMatch(),allMatch(),noneMatch(),findFirst(),findAny() 

非短路操作是指需要处理所有元素才能结束,包括下面的方法:

  1. forEach(),forEachOrdered(),toArray(),reduce(),collect(),max(),min(),count() 

总结一下Stream操作,如下图:

在遇到结束操作时,所有Pipeline节点封装的Sink会串成一个链表,如下图:

把Sink串成链表的过程可以参考下面这段源代码:

  1. final <P_IN> Sink<P_IN> wrapSink(Sink<E_OUT> sink) { 
  2.     Objects.requireNonNull(sink); 
  3.     for ( @SuppressWarnings("rawtypes") AbstractPipeline p=AbstractPipeline.this; p.depth > 0; p=p.previousStage) { 
  4.         sink = p.opWrapSink(p.previousStage.combinedFlags, sink); 
  5.     } 
  6.     return (Sink<P_IN>) sink; 

这样从Head节点开始依次调用每个节点封装的Sink中的begin,accept,cancellationRequested,end 四个方法就可以完成Steam流水线的执行。

面试官:上面提到了Sink会串成一个链,那对于有返回结果的操作,返回的结果是保存在什么地方呢?

我:这里分三种情况:

  • 如果返回结果是boolean(比如 anyMatch、allMatch、noneMatch)和Optional(比如 findFirst、findAny),返回结果存放在对应的Sink。
  • collect, reduce等规约操作,返回结果存放在用户指定的容器中,比如如下代码返回结果放在Optional容器中:
  1. Optional accResult = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5).reduce((sum, item) -> { 
  2.     sum += item; 
  3.     return sum
  4. }); 

max 和 min也是规约操作,因为底层是通过调用 reduce 方法实现的。

  • 对于返回是数组的情况,返回数组之前,数据会存放在一种多叉树数据结构中,这种多叉树结构元素存储在树的叶子当中,一个叶子节点可以存放多个元素。

面试官:上面你提到返回数组的时候用到了多叉树的结构,这样做对于Stream处理有什么好处呢?

:按照官方的说法,这样做是为了避免在并行操作期间不必要地复制数据。

面试官:能简单介绍一下Stream的并行处理吗?

:Stream的并行处理用到了Fork/Join框架,如下图:

计算过程中,先把任务拆解成子任务,并行计算。计算完成后再把子任务计算结果合并成结果集。

面试官:Fork/Join框架跟普通线程池相比,有什么优势吗?

:fork/join框架的优势是, 如果某个子任务需要等待另外一个子任务完成才能继续工作,那么处理线程会主动寻找其他未完成的子任务进行执行。跟普通线程池相比,减少了等待时间。

面试官:使用Stream并行流,一定会比串行快吗?

:这个不一定,使用的时候要考虑以下几个因素:

  • 要处理的元素数量,数据越多,性能提升越明显。
  • 数据结构的可分割性,数组、ArrayList支持随机读取,可分割性好,HashSet、TreeSet虽然可以分割,但不太容易分割均匀,LinkedList、Streams.iterate、BufferedReader.lines因为长度未知,可分解性差。
  • 尽量使用基本类型,避免装箱拆箱。
  • 单个子任务花费时间越长,带来的性能提升就会越大。

面试官:据说Stream api跟普通迭代相比有性能损耗,你怎么看?

:对于简单的处理操作,Stream api性能确实不如普通迭代。但是如果CPU性能好的话,使用Stream并行处理性能会明细提高。对于复杂处理操作,无论并行还是串行,Stream api有明显的优势。

对于并行处理,要考虑CPU的核数。

 

责任编辑:姜华 来源: 程序员jinjunzhu
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