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Java8 Stream源码分析原创

小蓝鲸
5年前
13416310

Stream

Stream是在Java SE 8 API添加的用于增强集合的操作接口，可以让你以一种声明的方式处理集合数据。将要处理的集合看作一种流的创建者，将集合内部的元素转换为流并且在管道中传输， 并且可以在管道的节点上进行处理， 比如筛选，排序，聚合等。元素流在管道中经过中间操作（intermediate operation）的处理，最后由最终操作(terminal operation)得到前面处理的结果。Stream的继承关系图如下，且容我慢慢抽丝剥茧细细道来。

ReferencePipeline

过滤,转换,聚合,归约
 Stream.of("one", "two", "three", "four")
       .filter(e -> e.length() > 3)
       .peek(e -> System.out.println("Filtered value: " + e))
       .map(String::toUpperCase)
       .peek(e -> System.out.println("Mapped value: " + e))
       .collect(Collectors.toList());

在没有Stream之前，我们对集合数据的处理到多是外部遍历，然后做数据的聚合用算，排序，merge等等。这属于OO思想，在引入Java SE 8引入FP之后，FP的操作可以提高Java程序员的生产力，，基于类型推断的lambda表达式可以 让程序员写出高效率、干净、简洁的代码。可以避免冗余的代码。根据给定的集合操作通过stream()方法创建初始流，配合map(),flatMap(),filter()对集合数据进行过滤,转换。api调用我这里就不多说了。直接从源码入手，看上图最核心的就是类为AbstractPipeline，ReferencePipeline和Sink接口.AbstractPipeline抽象类是整个Stream中流水线的高度抽象了源头sourceStage，上游previousStage，下游nextStage，定义evaluate结束方法，而ReferencePipeline则是抽象了过滤,转换,聚合,归约等功能，每一个功能的添加实际上可以理解为卷心菜，菜心就是源头，每一次加入一个功能就相当于重新长出一片叶子包住了菜心，最后一个功能集成完毕之后整颗卷心菜就长大了。而Sink接口呢负责把整个流水线串起来，然后在执行聚合,归约时候调AbstractPipeline抽象类的evaluate结束方法，根据是否是并行执行，调用不同的结束逻辑，如果不是并行方法则执行terminalOp.evaluateSequential否则就执行terminalOp.evaluateParallel，非并行执行模式下则是执行的是AbstractPipeline抽象类的wrapAndCopyInto方法去调用copyInto，调用前会先执行一下wrapSink，用于剥开这个我们在流水线上产生的卷心菜。从下游向上游去遍历AbstractPipeline，然后包装到Sink，然后在copyInto方法内部迭代执行对应的方法。最后完成调用，
并行执行实际上是构建一个ForkJoinTask并执行invoke去提交到ForkJoinPool线程池。

BaseStream

BaseStream

流的基本接口，该接口制定流可以支持无序，顺序,并行的，Stream实现了BaseStream接口。

  • Iterator<T> iterator();

    外部迭代器

  • Spliterator<T> spliterator();

    用于创建一个内部迭代器

  • isParallel

    用于判断该stream是否是并行的

  • S sequential();

    标识该stream创建是顺序执行的

  • S parallel();

    标识该stream创建是并行的，需要使用ForkJoinPool

  • S unordered();

    标识该stream创建是无序的

  • S onClose(Runnable closeHandler);

    当stream关闭的时候执行一个方法回调去关闭流。

PipelineHelper

PipelineHelper

该抽象类主要定义了操作管道的核心方法，并且能收集到流管道内的所有信息。如通过TerminalOp#evaluateParallel用于执行并行流操作，通过TerminalOp#evaluateSequential执行顺序流的操作。

  • abstract StreamShape getSourceShape();

    用于定义该流的中元素的原型，返回一个枚举值，用于切片操作limit或者skip

    枚举值取值范围 {REFERENCE:引用类型元素,INT_VALUE:int类型元素,LONG_VALUE:long类型元素,DOUBLE_VALUE:double类型元素}

  • abstract int getStreamAndOpFlags();

    用于获取流的中元素的原型和所有操作的组合，Stream中所有的定义流类型和操作的指令都包含在`StreamOpFlag``枚举类中。先看下补码 掩码的运算

      位掩码的常用CRUD操作
      a&~b: 清除标志位b;
      a|b : 添加标志位b;
      a&b : 取出标志位b;
      a^b : 取出a与b的不同部分;
  下面是对应流的标志位对应的表。
  /*
   * Characteristics belong to certain types, see the Type enum. Bit masks for
   * the types are constructed as per the following table:
   *
   *                        DISTINCT  SORTED  ORDERED  SIZED  SHORT_CIRCUIT
   *          SPLITERATOR      01       01       01      01        00
   *               STREAM      01       01       01      01        00
   *                   OP      11       11       11      10        01
   *          TERMINAL_OP      00       00       10      00        01
   * UPSTREAM_TERMINAL_OP      00       00       10      00        00
   *
   * 01 = set/inject SET_BITS=0b01设置指令
   * 10 = clear CLEAR_BITS=0b10清除指令
   * 11 = preserve PRESERVE_BITS=0b11保存指令
   */
  构造函数
   private StreamOpFlag(int position, MaskBuilder maskBuilder) {
      this.maskTable = maskBuilder.build();
      // Two bits per flag
      position *= 2;
      this.bitPosition = position;
      this.set = SET_BITS << position;
      this.clear = CLEAR_BITS << position;
      this.preserve = PRESERVE_BITS << position;
  }
    • StreamOpFlag.DISTINCT
    DISTINCT(0,set(Type.SPLITERATOR).set(Type.STREAM).setAndClear(Type.OP))

output:StreamOpFlag.DISTINCT:
StreamOpFlag(maskTable={SPLITERATOR=1, STREAM=1, OP=3, TERMINAL_OP=0, UPSTREAM_TERMINAL_OP=0},
bitPosition=0, set=1, clear=2, preserve=3)

    ok,我们知道了StreamOpFlag.DISTINCT的[设置]偏移位是1，16进制表示：0x00000001。当getStreamAndOpFlags返回的包含IS_DISTINCT也就是0x00000001就表示对于流中遇到的X，Y元素{@code!X.equals(Y)}。对应的是包含Spliterator.DISTINCT,标识该stream已经是distinct的了。

    • StreamOpFlag.SIZED
    SIZED(3,
       set(Type.SPLITERATOR).set(Type.STREAM).clear(Type.OP))

output:StreamOpFlag.SIZED: StreamOpFlag(maskTable={SPLITERATOR=1, STREAM=1, OP=2, TERMINAL_OP=0, UPSTREAM_TERMINAL_OP=0}, bitPosition=6, set=64, clear=128, preserve=192)【0x00000040】->[Spliterator.SIZED]

    表示遍历或拆分前从estimateSize()返回的值的特征值表示一个有限大小，在没有修改源结构的情况下，该值表示完整遍历流中元素数量的精确值,如果stream没有SIZED|SUBSIZED属性，则可以将estimateSize返回为Long.MAX_VALUE.这说明这个stream的estimateSize计算很复杂或本身就是一个infinite的steam流。这样设置后，性能上会差一些，但是，不会对sorted方法产生影响。如果要对流进行并行操作，实现自定义的Spliterator时，则需要重写trySplit()方法和long estimateSize()方法。通过拆分Spliterator加入fork/join线程池中，然后实现并行的处理。

    • StreamOpFlag.SORTED
    SORTED(1,
       set(Type.SPLITERATOR).set(Type.STREAM).setAndClear(Type.OP))

output:StreamOpFlag.SORTED: StreamOpFlag(maskTable={SPLITERATOR=1, STREAM=1, OP=3, TERMINAL_OP=0, UPSTREAM_TERMINAL_OP=0}, bitPosition=2, set=4, clear=8, preserve=12) 【0x00000004】->[Spliterator.SORTED]

    表示流里顺序遵循定义的排序顺序。如果包含该属性，方法getComparator()返回关联的比较器，或者返回null,如果设置了该属性并且，方法getComparator()返回null，这表明改流已经排好序了，如果方法getComparator()返回不为null，那么在fromCharacteristics方法处，该SORTED属性会被取消掉。如果流里面的所有元素都是实现了Comparable，那排序顺序就是按它们的自然顺序，在sorted(x->{...})方法执行可以传一个lambda进去。如果有值传输进去，那么都回按照该lambda对该流进行排序

    • StreamOpFlag.ORDERED
    ORDERED(2,
       set(Type.SPLITERATOR).set(Type.STREAM).setAndClear(Type.OP).clear(Type.TERMINAL_OP)
               .clear(Type.UPSTREAM_TERMINAL_OP))

output:StreamOpFlag.ORDERED: StreamOpFlag(maskTable={SPLITERATOR=1, STREAM=1, OP=3, TERMINAL_OP=2, UPSTREAM_TERMINAL_OP=2}, bitPosition=4, set=16, clear=32, preserve=48)【0x00000010】->[Spliterator.ORDERED]

    表示该流中的元素已经定义了顺序。包含了ORDERED属性，是拆分器保证trySplit拆分元素的强制前置条件，tryAdvance方法也会按定义了的顺序逐个元素进行拆分，forEachRemaining方法也按定义了的顺序执行内部迭代操作。一般集合的顺序是升序。但是对于基于哈希的集合，例如HashSet，不保证顺序。所以应该在不进行交换场景的并行计算中强制保证排序约束。

    • StreamOpFlag.SHORT_CIRCUIT
     SHORT_CIRCUIT(12,
        set(Type.OP).set(Type.TERMINAL_OP))

output:StreamOpFlag.SHORT_CIRCUIT: StreamOpFlag(maskTable={SPLITERATOR=0, STREAM=0, OP=1, TERMINAL_OP=1, UPSTREAM_TERMINAL_OP=0}, bitPosition=24, set=16777216, clear=33554432, preserve=50331648)【0x01000000】->[表示操作可能使流短路]

    表示操作可能使流短路

  • abstract<P_IN> long exactOutputSizeIfKnown(Spliterator<P_IN> spliterator);

将此时间的管道内的元素应用到提供的Spliterator，并将结果发送到提供的接收器sink里

  • abstract<P_IN, S extends Sink<P_OUT>> S wrapAndCopyInto(S sink, Spliterator<P_IN> spliterator);

用于输出返回值的大小。

  • abstract<P_IN> void copyInto(Sink<P_IN> wrappedSink, Spliterator<P_IN> spliterator);

用于将从Spliterator获得的元素推入提供的接收器中Sink。如果已知流管道中有短路阶段(包含StreamOpflag#SHORT_CURRENT)，则在每个元素之后执行一下Sink#cancellationRequested()，如果返回请求true，则执行终止。这个方法被实现之后需要遵守Sink的协议即：Sink#begin->Sink#accept->Sink->end

  • abstract <P_IN> void copyIntoWithCancel(Sink<P_IN> wrappedSink, Spliterator<P_IN> spliterator);

用于将从Spliterator获得的元素推入提供的接收器中Sink。在每个元素之后执行一下Sink#cancellationRequested()，如果返回请求true，则执行终止。这个方法被实现之后需要遵守Sink的协议即：Sink#begin->Sink#accept->Sink->end

  • abstract<P_IN> Sink<P_IN> wrapSink(Sink<P_OUT> sink);

该方法主要用于包装sink，从下游向上游去遍历AbstractPipeline，然后包装到一个Sink内，用于然后在copyInto方法内部迭代执行对应的方法。

  • abstract Node.Builder<P_OUT> makeNodeBuilder(long exactSizeIfKnown,IntFunction<P_OUT[]> generator);

用于构造一个节点Builder，转换为数组去处理数组类型和PipelineHelper定义的输出类型一样。

  • abstract<P_IN> Node<P_OUT> evaluate(Spliterator<P_IN> spliterator,boolean flatten,IntFunction<P_OUT[]> generator);

该方法将源拆分器应用到管道内的所有元素。针对数组处理。如果管道没有中间(filter,map)操作，并且源由一个节点支持(源头)，则该节点将被返回(内部遍历然后返回)。这减少了由有状态操作和返回数组的终端操作组成的管道的复制.例如:stream.sorted().toArray();该方法对应到AbstractPipeline内部，代码如下：

 @Override
  @SuppressWarnings("unchecked")
  final <P_IN> Node<E_OUT> evaluate(Spliterator<P_IN> spliterator,
                                    boolean flatten,
                                    IntFunction<E_OUT[]> generator) {
      if (isParallel()) {
          // @@@ Optimize if op of this pipeline stage is a stateful op
          return evaluateToNode(this, spliterator, flatten, generator);
      }
      else {
          Node.Builder<E_OUT> nb = makeNodeBuilder(
                  exactOutputSizeIfKnown(spliterator), generator);
          return wrapAndCopyInto(nb, spliterator).build();
      }
  }
AbstractPipeline

“管道”类的抽象基类，是流接口及其原始专门化的核心实现。用来表示流管道的初始部分，封装流源和零个或多个中间操作。对于顺序流和没有状态中间操作的并行流、并行流，管道中数据的处理是在一次“阻塞”所有操作的过程中完成的也就是最后才去处理。对于具有状态操作的并行流，执行被分成多个段，其中每个状态操作标记一个段的结束，每个段被单独评估，结果被用作下一个段的输入。上述所有情况，都是达到终端操作才开始处理源数据。

  • AbstractPipeline(Supplier<? extends Spliterator<?>> source,
    int sourceFlags, boolean parallel)

创建源Source stage 第一个参数指定一个Supplier接口(工厂模式，只能生成Spliterator<?>的对象，根据传入的lambda实现，<? extends Spliterator<?泛型的PECS原则了解一下。)

  • AbstractPipeline(Spliterator<?> source,
    int sourceFlags, boolean parallel)

创建源Source stage 第一个参数制定这个拆分器，和上面的构造方式一样，直接分析一下这个方法：

 AbstractPipeline(Spliterator<?> source,
                    int sourceFlags, boolean parallel) {
       this.previousStage = null;
       this.sourceSpliterator = source;
       this.sourceStage = this;
       this.sourceOrOpFlags = sourceFlags & StreamOpFlag.STREAM_MASK;
       // The following is an optimization of:
       // StreamOpFlag.combineOpFlags(sourceOrOpFlags, StreamOpFlag.INITIAL_OPS_VALUE);
       this.combinedFlags = (~(sourceOrOpFlags << 1)) & StreamOpFlag.INITIAL_OPS_VALUE;
       this.depth = 0;
       this.parallel = parallel;
   }

创建Stream 源阶段的时候previousStage为null，this.sourceOrOpFlags = sourceFlags & StreamOpFlag.STREAM_MASK;用于设置当前阶段的标识位。this.combinedFlags = (~(sourceOrOpFlags << 1)) & StreamOpFlag.INITIAL_OPS_VALUE; 添加源阶段的对流的操作标识，这个combinedFlags是流在整个管道内部所有操作的合集，在最后的规约操作的时候去解析出来。

  • AbstractPipeline(AbstractPipeline<?, E_IN, ?> previousStage, int opFlags)

根据上游创建下游Pipeline。

AbstractPipeline(AbstractPipeline<?, E_IN, ?> previousStage, int opFlags) {
      if (previousStage.linkedOrConsumed)
          throw new IllegalStateException(MSG_STREAM_LINKED);
      previousStage.linkedOrConsumed = true;
      previousStage.nextStage = this;

      this.previousStage = previousStage;
      this.sourceOrOpFlags = opFlags & StreamOpFlag.OP_MASK;
      this.combinedFlags = StreamOpFlag.combineOpFlags(opFlags, previousStage.combinedFlags);
      this.sourceStage = previousStage.sourceStage;
      if (opIsStateful())
          sourceStage.sourceAnyStateful = true;
      this.depth = previousStage.depth + 1;
  }

this.sourceStage = previousStage.sourceStage;,用于上游和下游关联，this.combinedFlags = StreamOpFlag.combineOpFlags(opFlags, previousStage.combinedFlags);将上游的操作标识位添加到本阶段的操作标识位中。depth记录整个管道的中间操作数。

  • final <R> R evaluate(TerminalOp<E_OUT, R> terminalOp)

进行终端汇聚计算。执行最终的计算，得到结果，根据是否是并行执行，调用不同的结束逻辑，如果不是并行方法则执行terminalOp.evaluateSequential否则就执行terminalOp.evaluateParallel。

  • final Node<E_OUT> evaluateToArrayNode(IntFunction<E_OUT[]> generator)

处理流转换数组。

final Node<E_OUT> evaluateToArrayNode(IntFunction<E_OUT[]> generator) {
        if (linkedOrConsumed)
            throw new IllegalStateException(MSG_STREAM_LINKED);
        linkedOrConsumed = true;
        if (isParallel() && previousStage != null && opIsStateful()) {
            depth = 0;
            return opEvaluateParallel(previousStage, previousStage.sourceSpliterator(0), generator);
        }
        else {
            return evaluate(sourceSpliterator(0), true, generator);
        }
    }

转换数组的时候，如果是并行流并且不是源阶段，而且调用过sorted||limit||skip||distinct这些有状态的操作之后，这里是个模版方法调用。实际上是通过调用DistinctOps||SortedOps||SliceOps这些实现的opEvaluateParallel方法，提交到ForkJoin线程池来转换数组。串行执行的时候直接执行evaluate(sourceSpliterator(0), true, generator);

  • evaluate(sourceSpliterator(0), true, generator);

具体的执行方法，用于吧管道内部的输出结果放到Node中。

@Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    final <P_IN> Node<E_OUT> evaluate(Spliterator<P_IN> spliterator,
                                      boolean flatten,
                                      IntFunction<E_OUT[]> generator) {
        if (isParallel()) {
            // @@@ Optimize if op of this pipeline stage is a stateful op
            return evaluateToNode(this, spliterator, flatten, generator);
        }
        else {
            Node.Builder<E_OUT> nb = makeNodeBuilder(
                    exactOutputSizeIfKnown(spliterator), generator);
            return wrapAndCopyInto(nb, spliterator).build();
        }
    }
 @Override
    final <P_IN> Node<P_OUT> evaluateToNode(PipelineHelper<P_OUT> helper,
                                        Spliterator<P_IN> spliterator,
                                        boolean flattenTree,
                                        IntFunction<P_OUT[]> generator) {
        return Nodes.collect(helper, spliterator, flattenTree, generator);
    }
    // Nodes.collect方法
    public static <P_IN, P_OUT> Node<P_OUT> collect(PipelineHelper<P_OUT> helper,
                                                    Spliterator<P_IN> spliterator,
                                                    boolean flattenTree,
                                                    IntFunction<P_OUT[]> generator) {
        long size = helper.exactOutputSizeIfKnown(spliterator);
        if (size >= 0 && spliterator.hasCharacteristics(Spliterator.SUBSIZED)) {
            if (size >= MAX_ARRAY_SIZE)
                throw new IllegalArgumentException(BAD_SIZE);
            P_OUT[] array = generator.apply((int) size);
            new SizedCollectorTask.OfRef<>(spliterator, helper, array).invoke();
            return node(array);
        } else {
            Node<P_OUT> node = new CollectorTask.OfRef<>(helper, generator, spliterator).invoke();
            return flattenTree ? flatten(node, generator) : node;
        }
    }

如果是源是并行流的情况，以ReferencePipeline引用管道来看主要执行的是 return Nodes.collect(helper, spliterator, flattenTree, generator);，该collect方法内部根据切割器有无Spliterator.SUBSIZED确定了生成的Node的长度，主要工作是创建一个Task提交到线程池。然后调用invoke拿到结果。示例代码Arrays.asList("2","22","222").parallelStream().skip(2).toArray(); 整个流程如下：
image
串行执行示例代码Arrays.asList("2","22","222").stream().skip(2).toArray(); 整个流程如下：
image

  • final Spliterator<E_OUT> sourceStageSpliterator()

获取Stream源头设置的拆分器，如果设置有则返回并且把源拆分器置空，如果有Supplier则调用get方法返回拆分器并且把源拆分器置空。

  • public final S sequential()

设置为串行流 ，设置源的paraller属性为false。终态方法不允许重写

  • public final S sequential()

设置为并行流 ，设置源的paraller属性为true。终态方法不允许重写

  • public void close()

关闭管道的方法，在关闭的时候会把管道使用标志设置为false，拆分器设置为null，如果源的回调关闭Job存在不为null时则invoker这个回调Job。

  • public S onClose(Runnable closeHandler)

用于注册关闭的回调job,在调用close的时候用于去执行这个回调job。

  • public Spliterator<E_OUT> spliterator()

和sourceStageSpliterator方法一样的功能，只不过不是终态方法，可以重写用于自定义的拓展。

  • public final boolean isParallel()

用于盘带你当前管道是否是并行流。

  • final int getStreamFlags()

获取流的标志和Stream的包含的所有操作。

  • private Spliterator<?> sourceSpliterator(int terminalFlags) {

获取源拆分器，和sourceStageSpliterator方法一样的功能，针对是并行流时候，并且是创建Stream阶段的话有中间状态，会组合流标志和操作构建拆分器。如果传入的操作码不等于0，那么则添加到拆分器的操作码中。

  • final StreamShape getSourceShape()

输出Stream源的类型。（引用 OR int OR Double OR Long）

  • final <P_IN> long exactOutputSizeIfKnown(Spliterator<P_IN> spliterator)

获取期望的size，如果拆分器如果有SIZE标志，调用拆分器的getExactSizeIfKnown方法，否则返回-1。

  • final <P_IN, S extends Sink<E_OUT>> S wrapAndCopyInto(S sink, Spliterator<P_IN> spliterator)

封装整个管道的阶段，包装在Sink中。把每一个阶段串联起来。包装在Sink内部的downstream.

wrapAndCopyInto代码执行流程如下：
image

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