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date: 2020-12-03
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- [参考文章](#参考文章)

# 前言

Java 8 的 Stream 使得代码更加简洁易懂，本篇文章深入分析 Java Stream 的工作原理，并探讨 Steam 的性能问题。

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Java 8 集合中的 Stream 相当于高级版的 Iterator，它可以通过 Lambda 表达式对集合进行各种非常便利、高效的聚合操作（Aggregate Operation），或者大批量数据操作 (Bulk Data Operation)。

Stream 的聚合操作与数据库 SQL 的聚合操作 sorted、filter、map 等类似。我们在应用层就可以高效地实现类似数据库 SQL 的聚合操作了，而在数据操作方面，Stream 不仅可以通过串行的方式实现数据操作，还可以通过并行的方式处理大批量数据，提高数据的处理效率。

# 操作分类

官方将 Stream 中的操作分为两大类：
- ` 中间操作（Intermediate operations）`，只对操作进行了记录，即只会返回一个流，不会进行计算操作。
- ` 终结操作（Terminal operations）`，实现了计算操作。

中间操作又可以分为：
- ` 无状态（Stateless）操作 `，元素的处理不受之前元素的影响。
- ` 有状态（Stateful）操作 `，指该操作只有拿到所有元素之后才能继续下去。

终结操作又可以分为：
- ` 短路（Short-circuiting）` 操作，指遇到某些符合条件的元素就可以得到最终结果
- ` 非短路（Unshort-circuiting）` 操作，指必须处理完所有元素才能得到最终结果。

操作分类详情如下图所示：

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-030958.jpg)

# 源码结构

Stream 相关类和接口的继承关系如下图所示：

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-031525.jpg)

## BaseStream

最顶端的接口类，定义了流的基本接口方法，最主要的方法为 spliterator、isParallel。

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-032745.png)

## Stream

最顶端的接口类。定义了流的常用方法，例如 map、filter、sorted、limit、skip、collect 等。

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-032941.png)

## ReferencePipeline

ReferencePipeline 是一个结构类，定义内部类组装了各种操作流，定义了 `Head`、`StatelessOp`、`StatefulOp` 三个内部类，实现了 BaseStream 与 Stream 的接口方法。

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-033157.png)

## Sink

Sink 接口定义了 Stream 之间的操作行为，包含 `begin()`、`end()`、`cancellationRequested()`、`accpt()` 四个方法。ReferencePipeline 最终会将整个 Stream 流操作组装成一个调用链，而这条调用链上的各个 Stream 操作的上下关系就是通过 Sink 接口协议来定义实现的。

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-033401.png)

# 操作叠加

Stream 的基础用法就不再叙述了，这里从一段代码开始，分析 Stream 的工作原理。

```java
@Test
public void testStream() {
    List<String> names = Arrays.asList("kotlin", "java", "go");
    int maxLength = names.stream().filter(name -> name.length() <= 4).map(String::length)
            .max(Comparator.naturalOrder()).orElse(-1);
    System.out.println(maxLength);
}
```

当使用 Stream 时，主要有 3 部分组成，下面一一讲解。

## 加载数据源

调用 `names.stream()` 方法，会初次加载 ReferencePipeline 的 Head 对象，此时为加载数据源操作。

java.util.Collection#stream

```java
default Stream<E> stream() {
    return StreamSupport.stream(spliterator(), false);
}
```

StreamSupport 类中的 stream 方法，初始化了一个 ReferencePipeline 的 Head 内部类对象。

java.util.stream.StreamSupport#stream(java.util.Spliterator<T>, boolean)

```java
public static <T> Stream<T> stream(Spliterator<T> spliterator, boolean parallel) {
    Objects.requireNonNull(spliterator);
    return new ReferencePipeline.Head<>(spliterator,
                                        StreamOpFlag.fromCharacteristics(spliterator),
                                        parallel);
}
```

## 中间操作

接着为 `filter(name -> name.length() <= 4).mapToInt(String::length)`，是中间操作，分为无状态中间操作 StatelessOp 对象和有状态操作 StatefulOp 对象，此时的 Stage 并没有执行，而是通过 AbstractPipeline 生成了一个中间操作 Stage 链表。

java.util.stream.ReferencePipeline#filter

```java
@Override
public final Stream<P_OUT> filter(Predicate<? super P_OUT> predicate) {
    Objects.requireNonNull(predicate);
    return new StatelessOp<P_OUT, P_OUT>(this, StreamShape.REFERENCE,
                                    StreamOpFlag.NOT_SIZED) {
        @Override
        Sink<P_OUT> opWrapSink(int flags, Sink<P_OUT> sink) {
            return new Sink.ChainedReference<P_OUT, P_OUT>(sink) {
                @Override
                public void begin(long size) {
                    downstream.begin(-1);
                }

                @Override
                public void accept(P_OUT u) {
                    if (predicate.test(u))
                        downstream.accept(u);
                }
            };
        }
    };
}
```

java.util.stream.ReferencePipeline#map

```java
@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
public final <R> Stream<R> map(Function<? super P_OUT, ? extends R> mapper) {
    Objects.requireNonNull(mapper);
    return new StatelessOp<P_OUT, R>(this, StreamShape.REFERENCE,
                                    StreamOpFlag.NOT_SORTED | StreamOpFlag.NOT_DISTINCT) {
        @Override
        Sink<P_OUT> opWrapSink(int flags, Sink<R> sink) {
            return new Sink.ChainedReference<P_OUT, R>(sink) {
                @Override
                public void accept(P_OUT u) {
                    downstream.accept(mapper.apply(u));
                }
            };
        }
    };
}
```

可以看到 filter 和 map 方法都返回了一个新的 `StatelessOp` 对象。new StatelessOp 将会调用父类 AbstractPipeline 的构造函数，这个构造函数将前后的 Stage 联系起来，生成一个 Stage 链表：

```java
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;
}
```

## 终结操作

最后为 `max(Comparator.naturalOrder())`，是终结操作，会生成一个最终的 Stage，通过这个 Stage 触发之前的中间操作，从最后一个 Stage 开始，递归产生一个 Sink 链。

java.util.stream.ReferencePipeline#max

```java
@Override
public final Optional<P_OUT> max(Comparator<? super P_OUT> comparator) {
    return reduce(BinaryOperator.maxBy(comparator));
}
```

最终调用到 java.util.stream.AbstractPipeline#wrapSink，这个方法会调用 opWrapSink 生成一个 Sink 链表，对应到本文的例子，就是 filter 和 map 操作。

```java
@Override
@SuppressWarnings("unchecked")
final <P_IN> Sink<P_IN> wrapSink(Sink<E_OUT> sink) {
    Objects.requireNonNull(sink);

    for (@SuppressWarnings("rawtypes") AbstractPipeline p=AbstractPipeline.this; p.depth > 0; p=p.previousStage) {
        sink = p.opWrapSink(p.previousStage.combinedFlags, sink);
    }
    return (Sink<P_IN>) sink;
}
```

在上面 opWrapSink 上断点调试，发现最终会调用到本例中的 filter 和 map 操作。

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-065103.png)

wrapAndCopyInto 生成 Sink 链表后，会通过 copyInfo 方法执行 Sink 链表的具体操作。

```java
@Override
final <P_IN> void copyInto(Sink<P_IN> wrappedSink, Spliterator<P_IN> spliterator) {
    Objects.requireNonNull(wrappedSink);

    if (!StreamOpFlag.SHORT_CIRCUIT.isKnown(getStreamAndOpFlags())) {
        wrappedSink.begin(spliterator.getExactSizeIfKnown());
        spliterator.forEachRemaining(wrappedSink);
        wrappedSink.end();
    }
    else {
        copyIntoWithCancel(wrappedSink, spliterator);
    }
}
```

上面的核心代码是：

```
spliterator.forEachRemaining(wrappedSink);
```

java.util.Spliterators.ArraySpliterator#forEachRemaining

```java
@Override
public void forEachRemaining(Consumer<? super T> action) {
    Object[] a; int i, hi; // hoist accesses and checks from loop
    if (action == null)
        throw new NullPointerException();
    if ((a = array).length >= (hi = fence) &&
        (i = index) >= 0 && i < (index = hi)) {
        do {action.accept((T)a[i]); } while (++i < hi);
    }
}
```

断点调试，可以发现首先进入了 filter 的 Sink，其中 accept 方法的入参是 list 中的第一个元素 “kotlin”（代码中的 3 个元素是："kotlin", "java", "go"）。filter 的传入是一个 Lambda 表达式：

```java
filter(name -> name.length() <= 4)
```

显然这个第一个元素 “kotlin” 的 predicate 是不会进入的。

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-070838.png)

对于第二个元素 “java”，predicate.test 会返回 true（字符串“java” 的长度<=4），则会进入 map 的 accept 方法。

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-071448.png)

本次调用 accept 方法时，empty 为 false，会将 map 后的结果（int 类型的 4）赋值给 t。

```java
public static <T> TerminalOp<T, Optional<T>>
makeRef(BinaryOperator<T> operator) {
    Objects.requireNonNull(operator);
    class ReducingSink
            implements AccumulatingSink<T, Optional<T>, ReducingSink> {
        private boolean empty;
        private T state;

        public void begin(long size) {
            empty = true;
            state = null;
        }

        @Override
        public void accept(T t) {
            if (empty) {
                empty = false;
                state = t;
            } else {
                state = operator.apply(state, t);
            }
        }

        ……
        }
}
```

对于第三个元素 “go”，也会进入 accept 方法，此时 empty 为 true, map 后的结果（int 类型的 2）会与上次的结果 4 通过自定义的比较器相比较，存入符合结果的值。

```java
public static <T> BinaryOperator<T> maxBy(Comparator<? super T> comparator) {
    Objects.requireNonNull(comparator);
    return (a, b) -> comparator.compare(a, b) >= 0 ? a : b;
}
```

本文代码中的 max 传入的比较器为：

```java
max(Comparator.naturalOrder())
```

至此会返回 int 类型的 4。

# 并行处理

上面的例子是串行处理的，如果要改成并行也很简单，只需要在 stream() 方法后加上 `parallel()` 就可以了，并行代码可以写成：

```java
@Test
public void testStream() {
    List<String> names = Arrays.asList("kotlin", "java", "go");
    int maxLength = names.stream().parallel().filter(name -> name.length() <= 4)
            .map(String::length).max(Comparator.naturalOrder()).orElse(-1);
    System.out.println(maxLength);
}
```

Stream 的并行处理在执行终结操作之前，跟串行处理的实现是一样的。而在调用终结方法之后，实现的方式就有点不太一样，会调用 TerminalOp 的 evaluateParallel 方法进行并行处理。

```java
final <R> R evaluate(TerminalOp<E_OUT, R> terminalOp) {
    assert getOutputShape() == terminalOp.inputShape();
    if (linkedOrConsumed)
        throw new IllegalStateException(MSG_STREAM_LINKED);
    linkedOrConsumed = true;

    return isParallel()
            ? terminalOp.evaluateParallel(this, sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags()))
            : terminalOp.evaluateSequential(this, sourceSpliterator(terminalOp.getOpFlags()));
}
```

核心是使用了 ForkJoin 框架，对 Stream 处理进行分片，最终会调用下面的代码，这里就不展开分析了。

java.util.stream.AbstractTask#compute

```java
@Override
public void compute() {
    Spliterator<P_IN> rs = spliterator, ls; // right, left spliterators
    long sizeEstimate = rs.estimateSize();
    long sizeThreshold = getTargetSize(sizeEstimate);
    boolean forkRight = false;
    @SuppressWarnings("unchecked") K task = (K) this;
    while (sizeEstimate> sizeThreshold && (ls = rs.trySplit()) != null) {
        K leftChild, rightChild, taskToFork;
        task.leftChild  = leftChild = task.makeChild(ls);
        task.rightChild = rightChild = task.makeChild(rs);
        task.setPendingCount(1);
        if (forkRight) {
            forkRight = false;
            rs = ls;
            task = leftChild;
            taskToFork = rightChild;
        }
        else {
            forkRight = true;
            task = rightChild;
            taskToFork = leftChild;
        }
        taskToFork.fork();
        sizeEstimate = rs.estimateSize();
    }
    task.setLocalResult(task.doLeaf());
    task.tryComplete();
}
```

## 并行错误的使用方法

```java
@Test
public void testParallelWrong() {
    List<Integer> parallelList = new ArrayList<>();
    IntStream.range(0, 1000).boxed().parallel().filter(i -> i % 2 == 1)
            .forEach(parallelList::add);
    System.out.println(parallelList.size());
}
```

上面的输出结果会经常小于 500，这是因为 parallelList 的类型是 ArrayList，并不是线程安全的，在执行 add 操作时，可能正好赶上扩容或者线程被占用，会覆盖其他线程的赋好的值。

## 并行正确的使用方法

```java
@Test
public void testParallelRight() {
    List<Integer> parallelList = IntStream.range(0, 1000).boxed().parallel()
            .filter(i -> i % 2 == 1).collect(Collectors.toList());
    System.out.println(parallelList.size());
}
```

上面的输出结果是 500。

# 性能

下面的文章参考自：[JavaLambdaInternals/8-Stream Performance.md](https://github.com/CarpenterLee/JavaLambdaInternals/blob/master/8-Stream%20Performance.md)，侵删。

为保证测试结果真实可信，我们将 JVM 运行在 `-server` 模式下，测试数据在 GB 量级，测试机器采用常见的商用服务器，配置如下：

<table width="300px"><tr><td>OS</td><td>CentOS 6.7 x86_64</td></tr><tr><td>CPU</td><td>Intel Xeon X5675, 12M Cache 3.06 GHz, 6 Cores 12 Threads</td></tr><tr><td > 内存 </td><td>96GB</td></tr><tr><td>JDK</td><td>java version 1.8.0_91, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM</td></tr></table>

测试 [所用代码在这里](./perf/StreamBenchmark/src/lee)，测试 [结果汇总](./perf/Stream_performance.xlsx).

## 测试方法和测试数据

性能测试并不是容易的事，Java 性能测试更费劲，因为虚拟机对性能的影响很大，JVM 对性能的影响有两方面：

1. GC 的影响。GC 的行为是 Java 中很不好控制的一块，为增加确定性，我们手动指定使用 CMS 收集器，并使用 10GB 固定大小的堆内存。具体到 JVM 参数就是 `-XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms10G -Xmx10G`
2. JIT(Just-In-Time) 即时编译技术。即时编译技术会将热点代码在 JVM 运行的过程中编译成本地代码，测试时我们会先对程序预热，触发对测试函数的即时编译。相关的 JVM 参数是 `-XX:CompileThreshold=10000`。

Stream 并行执行时用到 `ForkJoinPool.commonPool()` 得到的线程池，为控制并行度我们使用 Linux 的 `taskset` 命令指定 JVM 可用的核数。

测试数据由程序随机生成。为防止一次测试带来的抖动，测试 4 次求出平均时间作为运行时间。

## 实验一 基本类型迭代

测试内容：找出整型数组中的最小值。对比 for 循环外部迭代和 Stream API 内部迭代性能。

测试程序 [IntTest](./perf/StreamBenchmark/src/lee/IntTest.java)，测试结果如下图：

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-074737.jpg)

图中展示的是 for 循环外部迭代耗时为基准的时间比值。分析如下：

1. 对于基本类型 Stream 串行迭代的性能开销明显高于外部迭代开销（两倍）；
2. Stream 并行迭代的性能比串行迭代和外部迭代都好。

并行迭代性能跟可利用的核数有关，上图中的并行迭代使用了全部 12 个核，为考察使用核数对性能的影响，我们专门测试了不同核数下的 Stream 并行迭代效果：

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-074833.jpg)

分析，对于基本类型：

1. 使用 Stream 并行 API 在单核情况下性能很差，比 Stream 串行 API 的性能还差；
2. 随着使用核数的增加，Stream 并行效果逐渐变好，比使用 for 循环外部迭代的性能还好。

以上两个测试说明，对于基本类型的简单迭代，Stream 串行迭代性能更差，但多核情况下 Stream 迭代时性能较好。

## 实验二 对象迭代

再来看对象的迭代效果。

测试内容：找出字符串列表中最小的元素（自然顺序），对比 for 循环外部迭代和 Stream API 内部迭代性能。

测试程序 [StringTest](./perf/StreamBenchmark/src/lee/StringTest.java)，测试结果如下图：

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-074848.jpg)

结果分析如下：

1. 对于对象类型 Stream 串行迭代的性能开销仍然高于外部迭代开销（1.5 倍），但差距没有基本类型那么大。
2. Stream 并行迭代的性能比串行迭代和外部迭代都好。

再来单独考察 Stream 并行迭代效果：

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-074906.jpg)

分析，对于对象类型：

1. 使用 Stream 并行 API 在单核情况下性能比 for 循环外部迭代差；
2. 随着使用核数的增加，Stream 并行效果逐渐变好，多核带来的效果明显。

以上两个测试说明，对于对象类型的简单迭代，Stream 串行迭代性能更差，但多核情况下 Stream 迭代时性能较好。

## 实验三 复杂对象归约

从实验一、二的结果来看，Stream 串行执行的效果都比外部迭代差（很多），是不是说明 Stream 真的不行了？先别下结论，我们再来考察一下更复杂的操作。

测试内容：给定订单列表，统计每个用户的总交易额。对比使用外部迭代手动实现和 Stream API 之间的性能。

我们将订单简化为 `<userName, price, timeStamp>` 构成的元组，并用 `Order` 对象来表示。测试程序 [ReductionTest](./perf/StreamBenchmark/src/lee/ReductionTest.java)，测试结果如下图：

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-074920.jpg)

分析，对于复杂的归约操作：

1. Stream API 的性能普遍好于外部手动迭代，并行 Stream 效果更佳；

再来考察并行度对并行效果的影响，测试结果如下：

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-03-074933.jpg)

分析，对于复杂的归约操作：

1. 使用 Stream 并行归约在单核情况下性能比串行归约以及手动归约都要差，简单说就是最差的；
2. 随着使用核数的增加，Stream 并行效果逐渐变好，多核带来的效果明显。

以上两个实验说明，对于复杂的归约操作，Stream 串行归约效果好于手动归约，在多核情况下，并行归约效果更佳。我们有理由相信，对于其他复杂的操作，Stream API 也能表现出相似的性能表现。

## 结论

上述三个实验的结果可以总结如下：

1. 对于 ` 简单操作 `，比如最简单的遍历，`Stream 串行 API 性能明显差于显式迭代 `，但并行的 Stream API 能够发挥多核特性。
2. 对于 ` 复杂操作 `，Stream 串行 API 性能可以和手动实现的效果匹敌，在 ` 并行执行时 Stream API 效果远超手动实现 `。

所以，如果出于性能考虑：
1. 对于简单操作推荐使用外部迭代手动实现
2. 对于复杂操作，推荐使用 Stream API
3. 在多核情况下，推荐使用并行 Stream API 来发挥多核优势
4. 单核情况下不建议使用并行 Stream API

## 为什么简单操作，Stream API 不如迭代，而复杂操作性能差不多？

其实根据上面 Stream 源码的分析，结合 Stream 的使用，可以看出如果是简单操作的话，Stream 也会包括加载数据源、中间操作、终结操作等，所以简单操作会慢于显式迭代。

但是如果是复杂操作，Stream 加载数据源、中间操作、终结操作相对来说就没有那么重要了，甚至还可以包括短路等优化，所以跟显式迭代的性能并没有什么差别。同时 Stream 还能增加可读性，很方便利用多核性能，这是显示迭代不能实现的。

（个人思考的结果，有问题欢迎留言交流 ^_^）

# GitHub 项目

[Java 编程思想 - 最全思维导图 - GitHub 下载链接](https://github.com/LjyYano/Thinking_in_Java_MindMapping)，需要的小伙伴可以自取~

原创不易，希望大家转载时请先联系我，并标注原文链接。

# 参考文章

1. [JavaLambdaInternals/6-Stream Pipelines.md](https://github.com/CarpenterLee/JavaLambdaInternals/blob/master/6-Stream%20Pipelines.md)
2. [JavaLambdaInternals/8-Stream Performance.md](https://github.com/CarpenterLee/JavaLambdaInternals/blob/master/8-Stream%20Performance.md)
3. 极客时间 - Java 性能调优实战 / 06.Stream 如何提高遍历集合效率？