Lambda 与 Stream API

学习目标

• 理解 lambda 表达式适合表示一段可以传递的行为。
• 使用 Predicate<T> 表达筛选条件。
• 使用 stream、filter、map、sorted 和 toList 处理集合。
• 使用方法引用让简单转换更清晰。
• 使用 mapToInt 和 sum 做数值统计。
• 使用 max 和 Comparator 找到最佳结果。
• 编写测试验证筛选、排序、统计和非法输入。

前置知识

已完成日期与时间 API，能够阅读集合、泛型、接口默认方法、不可变返回值和 JUnit 断言。

为什么需要 Lambda 与 Stream

集合章节已经学过用循环处理列表。循环非常重要，也会长期使用。Stream API 提供了另一种写法：把“对集合做什么”拆成连续的小步骤。

例如从课时列表中找出时长不少于 45 分钟的标题：

lessons.stream()
        .filter(lesson -> lesson.getDurationMinutes() >= 45)
        .map(CourseLesson::getTitle)
        .toList();

这段代码从左到右读：

1. 把列表变成流。
2. 保留满足条件的课时。
3. 把课时对象转换成标题。
4. 收集回列表。

Stream 不是为了替代所有循环。它适合表达筛选、转换、排序、统计这类集合流水线。

Lambda 表达式

Lambda 表达式是一段可以作为值传递的行为：

lesson -> lesson.getDurationMinutes() >= 45

左边 lesson 是参数，右边是判断逻辑。这个 lambda 可以作为 Predicate<CourseLesson> 使用：

public static List<String> lessonTitlesMatching(List<CourseLesson> lessons,
                                                Predicate<CourseLesson> matcher) {
    return lessons.stream()
            .filter(matcher)
            .map(CourseLesson::getTitle)
            .toList();
}

调用时可以传入不同条件：

lessonTitlesMatching(lessons, lesson -> lesson.getDurationMinutes() >= 45);
lessonTitlesMatching(lessons, lesson -> lesson.getTitle().contains("API"));

方法不用知道具体筛选规则，调用者把规则传进来。这就是 lambda 的价值：让可变化的行为成为参数。

Stream 流水线

Stream 流水线通常由三部分组成：

• 来源：例如 lessons.stream()。
• 中间操作：例如 filter、map、sorted。
• 终止操作：例如 toList、sum、max。

只有终止操作出现时，整条流水线才会真正执行。初学阶段可以先记住：每条 stream 最后都需要一个终止操作。

filter：筛选元素

filter 接收一个返回 boolean 的条件：

.filter(lesson -> lesson.getDurationMinutes() >= 45)

满足条件的元素留下，不满足的元素被跳过。它对应循环里的 if。

StudyStreamAnalyzer.lessonTitlesMatching 先检查参数，再执行筛选：

if (matcher == null) {
    throw new IllegalArgumentException("matcher must not be null");
}
return requireLessons(lessons).stream()
        .map(StudyStreamAnalyzer::requireLesson)
        .filter(matcher)
        .map(CourseLesson::getTitle)
        .toList();

这里的第一段 map(StudyStreamAnalyzer::requireLesson) 用来拒绝列表中的 null 元素，避免后续 lambda 在空对象上调用方法。

map：转换元素

map 把一种元素转换成另一种元素：

.map(CourseLesson::getTitle)

这里把 CourseLesson 转成 String。如果原始流是 Stream<CourseLesson>，经过这一步后就变成了 Stream<String>。

方法引用 CourseLesson::getTitle 可以读成“调用每个课时的 getTitle 方法”。它等价于：

.map(lesson -> lesson.getTitle())

当 lambda 只是调用一个现成方法时，方法引用通常更简洁。

sorted：排序

排序需要告诉 Java 按什么规则比较元素：

.sorted(Comparator.comparingInt(CourseLesson::getDurationMinutes)
        .reversed()
        .thenComparing(CourseLesson::getTitle))

这段排序规则表示：

• 先按课时时长降序排列。
• 如果时长相同，再按标题升序排列。

排序后再取标题：

return lessons.stream()
        .sorted(...)
        .map(CourseLesson::getTitle)
        .toList();

mapToInt：数值统计

如果要统计总分钟数，可以使用 mapToInt：

return requireLessons(lessons).stream()
        .map(StudyStreamAnalyzer::requireLesson)
        .mapToInt(CourseLesson::getDurationMinutes)
        .sum();

mapToInt 会得到专门处理 int 的流，后面可以直接调用 sum、average、max 等统计方法。

max：找到最佳结果

评审结果已经有 scoreRate。用 Stream 找最高分结果：

return safeResults.stream()
        .map(StudyStreamAnalyzer::requireResult)
        .max(Comparator.comparingDouble(ReviewResult::scoreRate))
        .orElseThrow()
        .reportLine();

max 返回的是 Optional<ReviewResult>，因为列表可能为空。本示例会先拒绝空列表：

if (safeResults.isEmpty()) {
    throw new IllegalArgumentException("results must not be empty");
}

这样 orElseThrow 只是表达“前面已经保证有结果”。Optional 的完整用法会在后续常用标准库主题里展开。

toList 的返回值

Java 21 中，stream().toList() 返回不可修改列表。测试可以验证调用者不能继续添加元素：

List<String> titles = StudyStreamAnalyzer.lessonTitlesMatching(lessons,
        lesson -> lesson.getDurationMinutes() >= 45);

assertThrows(UnsupportedOperationException.class,
        () -> titles.add("Stream API"));

这和前面课程的“只读返回”保持一致：查询方法返回结果，不让调用者误改内部或结果集合。

可运行代码

• StudyStreamAnalyzer 展示 lambda、Predicate、filter、map、sorted、mapToInt、max 和方法引用。
• StudyStreamAnalyzerTest 覆盖筛选、排序、统计、通过报告、最佳报告、不可修改结果和非法输入。
• 面向对象练习 提供同主题 starter/solution。

使用 Java 21 运行对应测试：

mvn -B -pl examples/java-core -am test
mvn -B -pl exercises/object-oriented/starter -am compile
mvn -B -pl exercises/object-oriented/solution -am test

常见错误与调试提示

• 把 Stream 当成必须使用的写法：简单循环仍然完全可以。
• 写了中间操作却没有终止操作：流水线不会真正执行。
• 在 map 里做复杂副作用：map 应该主要用于转换。
• 忘记处理空列表：max、average 等操作可能没有结果。
• 让 lambda 变得过长：逻辑复杂时，抽成普通方法再用方法引用。
• 在 Stream 中遇到 null 元素：先决定业务是否允许，示例里选择拒绝。

调试 Stream 时，可以把流水线拆成几步临时变量，或先用循环写出等价逻辑，再逐步改成 filter、map、sorted。

最佳实践及适用边界

• 用 lambda 表达短小、清楚的条件或转换。
• 当 lambda 只是调用已有方法时，优先考虑方法引用。
• Stream 适合筛选、映射、排序和聚合。
• 需要提前退出、复杂状态更新或多步调试时，循环可能更直观。
• Stream 里尽量避免修改外部变量。
• 初学阶段先掌握顺序流，不急着使用并行流。

分级练习

• 基础：实现 lessonTitlesMatching，使用 Predicate<Lesson> 和 filter 筛选课时标题。
• 进阶：实现 lessonTitlesByDurationDescending 和 totalDurationMinutes，练习排序与数值统计。
• 挑战：实现 passingReportLines 和 bestReportLine，用方法引用处理评审结果。

面试与复习题

1. Lambda 表达式适合表达什么？
2. Predicate<T> 的返回值是什么？
3. Stream 流水线通常由哪三部分组成？
4. filter 和 map 的区别是什么？
5. 方法引用和 lambda 有什么关系？
6. 为什么 max 可能需要处理空结果？
7. stream().toList() 的结果能否继续修改？
8. 什么场景下循环比 Stream 更合适？

本章总结

Lambda 让行为可以作为参数传递，Stream 让集合处理可以写成清晰流水线。掌握 filter、map、sorted、mapToInt、max 和方法引用后，很多筛选、转换、排序和统计代码都能写得更紧凑、更容易表达意图。

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