Streams Basics

Ziele

• Ich kann in eigenen Worten und mit Hilfe von Skizzen erklären, was Streams sind und wofür sie verwendet werden.
• Ich kann Streams für die Iteration über Listen anwenden.
• Ich kann mindestens eine intermediäre und eine terminale Stream-Operation aus dem Kopf nennen und beschreiben.

Streams

Mit Java 8 ist das Stream-API zum java.util-Package des JDKs hinzugekommen. Das API ist eine Erweiterung des Java-Collection-Frameworks mit einer Schnittstelle im Stil der funktionalen Programmierung. Mit dem Stream-API wurden mächtige Möglichkeiten zur Durchführung von Operationen auf Arrays und Listen eingeführt.

In diesem Teil wird erklärt, was Streams sind und wie sie für Operationen auf Arrays und Listen eingesetzt werden können.

Was ist ein Stream?

Streams stellen Ströme von Referenzen dar, die es erlauben, verkettete Operationen auf diesen Referenzen nacheinander oder parallel auszuführen.

Ein Stream erhält seinen Input aus Datenstrukturen wie Arrays oder Listen und führt die gewünschte Operationen auf diesem Input aus, ohne die ursprüngliche Datenstruktur zu verändern.

Nachfolgend ist ein Code aufgelistet, der aus einem Array mit den verschiedenen Punktzahlen von verschiedenen Studierenden aus einer Prüfung

1. alle Punktzahlen aussortiert, die 0 oder kleiner sind (Intermediäre Operation filter(...)),
2. dann die Punktzahlen in Noten umrechnet (Intermediäre Operation mapToDouble(...)),
3. und dann den Durchschnitt über alle Studierenden berechnet (Terminale Operation average(), zu Deutsch “Durchschnitt”).

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import java.util.Arrays;


int[] scores = new int[] { 4, 19, 22, 23, 0, 12 };
int maxScores = 24;

var averageGrade = Arrays.stream(scores)
        .filter(score -> score > 0)
        .mapToDouble(score -> score * 5f / maxScores + 1f)
        .average();

System.out.println("Average: " + averageGrade.getAsDouble());

Die einzelnen Bestandteile werden in den weiteren Unterkapitel genauer beleuchtet und die sogenannten Lambda-Ausdrücke score -> score > 0 und score -> score * 5f / maxScores + 1f werden später erläutert.

Erzeugung von Streams

Damit überhaupt mit Streams gearbeitet werden kann, muss zuerst ein Stream existieren bzw. erzeugt werden. Streams können aus Arrays, Listen und anderen Collections erzeugt werden.

Erzeugung aus Elementes eines Arrays

Aus den Elementen eines Arrays kann ein Stream mithilfe der Klasse Arrays aus dem java.util-Package wie folgt erzeugt werden:

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int[] numbers = {1, 2, 3, 4};
IntStream numbersStream = Arrays.stream(numbers); // IntStream ist eine Spezialisierung von Stream, welche die Verabeitung von primitive int-Werte ermöglicht.

String[] greeting = {"Hello", "Streams"};
Stream<String> greetingStream = Arrays.stream(greeting); // Anhand der spitzigen Klammern wird ersichtlich, welche Objekttypen durch den Stream verarbeitet werden.

Erzeugung aus Elementen einer Liste

Wenn eine Liste bereits vorhanden ist, kann die Methode stream() aufgerufen werden, um einen Stream aus den Elementen der Liste zu erzeugen:

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List<String> stringList = new ArrayList<>();
stringList.add("Hello");
stringList.add("List");
stringList.add("Stream");

Stream<String> stream2 = stringList.stream();

Unterschied zwischen generischen Streams und IntStreams

Wenn du beim Aufruf von Arrays.stream(...) ein Array vom Typ int[] oder double[] übergibst, erhältst du keinen gewöhnlichen Stream vom Typ Stream sondern einen optimierten Stream-Typ für den entsprechenden Datentyp:

• ein int-Array resultiert in einem IntStream,
• ein double-Array in einem DoubleStream, usw.

An dieser Stelle könnte man sich fragen wieso. Aber die Antwort ist ziemlich klar:

Ein IntStream besitzt mehr Methoden als ein Stream<Integer>. So kannst du auf dem Stream z.B. direkt eine Summe (.sum()) oder Durchschnitt (.average()) berechnen, statt selbst diese Funktionen zu implementieren.

Hast du z.B. ein Stream<Integer> und möchtest aber eine Summe berechnen, dann kannst du z.B. den Stream<Integer> mit der Methode mapToInt(...) in einen IntStream umwandeln:

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Stream<Integer> integerStream = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5);

IntStream intStream = integerStream.mapToInt(Integer::intValue); 

int summe = intStream.sum();
System.out.println("Summe der Zahlen 1 bis 5: " + summe);

Lasse dich von der “Methodenreferenz” Integer::intValue nicht verwirren - wird in einem der nächsten Unterkapitel erklärt. Diese wird hier angegeben, damit beim Stream klar ist, wie jeder einzelne Integer in einen int umgewandelt wird. In diesem Fall wird ein Integer integer wie folgt umgewandelt: int neuerWert = integer.intValue().

Lambda Expressions

Streams arbeiten mit sog. Lambda-Expressions oder Methodenreferenzen. Lambda Expressions (Lambda-Ausdrücke) wurden in Java 8 eingeführt, damit Funktionen als Argumente bei Methoden übergeben werden können.

Da Lambda-Expressions oft in Streams verwendet werden, wird hier aufgezeigt, wie Lambdas aussehen und wie sie verwendet werden können.

Lambda-Ausdrücke in Java sind quasi Methoden ohne Namen. Sie bestehen aus folgenden Elementen:

• einer Liste von Parametern. Mehrere Parameter werden durch ein Komma separiert und mit Klammern umrundet. (keine Parameter werden mit leeren Klammern () dargestellt, einen Parameter muss nicht zwingend mit Klammern umrundet werden)
• einem Pfeil-Token ->
• und einem Funktionsrumpf. Wenn der Funktionsrumpf mehrere Anweisungen lang ist, wird er mit geschweiften Klammern { ... } umrundet. Wenn keine geschweiften Klammern verwendet werden, dann ist der Ausdruck nach dem Pfeil-Token automatisch der Rückgabewert der Funktion (das return entfällt).

Im Gegensatz zu Methoden werden der Rückgabetyp und Exceptions nicht spezifiziert, sondern vom Compiler “erraten”.

Im Beispiel mit den Prüfungsnoten haben wir mit .mapToDouble(score -> score * 5.0 / maxScores + 1.0) die einzelnen Punktzahlen in Noten umgerechnet (map()-Methoden werden später erklärt). Hierbei wurde der Lambda-Ausdruck score -> score * 5.0 / maxScores + 1.0 verwendet. Dieser Lambda-Ausdruck ist eine Funktion (Methode), die beschreibt, wie jede Punktzahl in eine Note umgerechnet werden soll. Würden wir diesen Lambda-Ausdruck in eine Methode umschreiben, dann könnte diese so aussehen:

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private static double punkteZuNote(int score) {
    return score * 5.0 / maxScores + 1.0;
}

Der Lambda-Ausdruck score -> score > 0 hingegen könnte als Methode so geschrieben werden:

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private static boolean isScoreGreaterThan0(int score) {
    return score > 0;
}

Beispiele

Hier noch ein paar Beispiele, wie Lambda-Ausdrücke geschrieben werden können:

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// keine Parameter
() -> System.out.println("Ich habe kein Parameter")

// ein Parameter
word -> System.out.printf("Ich habe einen Parameter erhalten, nämlich: %s", word)

// zwei oder mehr Parameter
(name, age) -> System.out.println("My name is " + name + " and I am " + age + "years old")

// Funktionsrumpf mehrzeilig
(name, age) -> {
  System.out.println("My name is " + name);
  System.out.println("I am " + age + "years old");
}

Method Reference

Eine Methoden-Referenz ist die verkürzte Schreibweise einer Lambda-Expression, welche nur einen einzigen Methodenaufruf beinhaltet. Die generische Syntax für Methodenreferenz sieht wie folgt aus: Klasse::methode. Bei Methoden-Referenzen werden die Argumente für die Methode nicht notiert.

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// Lambda-Expression mit einem Methodenaufruf
(word) -> System.out.println(word)

// Method-Reference Syntax der obigen Lambda-Expression
// Das Argument (word) muss nicht mitgegeben werden
System.out::println

Der wesentliche Vorteil von dieser Schreibweise ist, dass er kürzer ist. Lambda-Ausdrücke sind aber oft einfacher zu verstehen.

Methodenausführung auf Streams

Im Beispiel mit den Prüfungsnoten haben wir verschiedene Operationen auf dem Stream durchgeführt, die die einzelnen Werte entweder umrechnen oder am Schluss in einem einzigen Wert zusammenfasst (z.B. average()). Folglich stellen Streams Operationen zur Verfügung, welche in zwei Kategorien unterteilt werden können:

• Intermediäre Operationen, welche am Ende der Verarbeitung in einem Stream resultieren (und somit eine weitere, verkettete Verarbeitung ermöglichen) wie z.B. filter(...) oder map(...).
• Terminale Operationen, welche am Ende der Verarbeitung einen Wert zurückliefern (und somit den Stream beenden) wie sum() oder average().

Folgendes Bild illustriert die Arbeitsweise von Streams

Nun werden einige Operationen auf Streams vorgestellt:

• Intermediäre Operationen:
  • filter(...) sortiert alle Elemente aus, die NICHT die übergebenen Bedingung erfüllen.
  • map(...), mapToInt(...) und mapToDouble(...) wandeln die einzelnen Stream-Elemente in andere Werte um (bilden diese ab auf andere).
  • sorted() sortiert die einzelnen Werte.
• Terminale Operationen:
  • Mit forEach(...) kann für jedes Element etwas gemacht werden (z.B. jedes Element ausgeben).
  • collect(...) und toArray(...) füllen die einzelnen Elemente in Listen oder Arrays ab.

Intermediäre Operationen

Die filter(...)-Methode

Die filter(...)-Methode ist eine intermediäre Operation, die Elemente in einem Stream auf diejenigen beschränkt, die einer bestimmten Bedingung entsprechen. Diese Bedingung wird als Lambda-Ausdruck angegeben, der true zurückgibt, wenn das Element im Stream bleiben soll. Gibt er false zurück, wird das Element aussortiert.

Im folgenden Beispiel werden alle ungeraden Zahlen aus einem Stream entfernt und dann alle verbleibenden Elemente ausgegeben:

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IntStream.of(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15)
        .filter(x -> x % 2 == 0)
        .forEach(System.out::println);

Die map(...)- und mapToInt(...)-Methode

Die map(...)- und mapToInt(...)-Methode gehört zu den intermediären Operationen eines Streams.

Die Methode liefert einen Stream zurück, worin jedes einzelne Element durch den Rückgabewert der übergebenen Funktion ersetzt wurde.

Die map(...)-Methode wird oft verwendet, um Daten umzuwandeln oder den Stream auf ein Feld/Methode eines Objekts zu fokussieren.

Hier ein Beispiel, in welchem Zahlen durch ihr Quadrat ersetzt werden:

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Stream.of(1,2,3,4).map(x -> x * x).forEach(System.out::println);

Und hier ein Beispiel, wo uns nur die Länge der Strings interessiert:

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Stream.of("Ein", "Ninja", "bewegt", "sich", "lautlos", "wie", "der", "Wind", "und", "unsichtbar", "wie", "der", "Schatten")
                .map(word -> word.length())
                .forEach(System.out::println);

Im zweiten Beispiel könnte unser Ziel sein, die durchschnittliche Länge der Wörter zu berechnen. Wenn man mathematische Operationen mit Streams durchführen möchte, dann ist es oft einfacher, den Stream in einen für den mathematischen Typ spezifischen Stream wie IntStream zu “verwandeln”, damit Funktionen wie sum() und average() (Durchschnitt) nicht manuell implementiert werden müssen. Hierfür kannst du statt der map(...)- die mapToInt(...)-Methode (oder mapToDouble) verwenden:

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System.out.println(
        "Durchschnittliche Länge eines Wortes: " +


        Stream.of("Ein", "Ninja", "bewegt", "sich", "lautlos", "wie", "der", "Wind", "und", "unsichtbar", "wie", "der", "Schatten")
                .mapToInt(word -> word.length())
                .average()
);

Die sorted() Methode

Die sorted()-Methode gehört zu den intermediären Operationen eines Streams.

Die Methode liefert ein Stream zurück, worin die Elemente im Stream nach ihrer natürlichen Reihenfolge (natural order) sortiert sind.

Die Syntax der Methode ist wie folgt: Stream<T> sorted() wobei T der Typ der Elemente innerhalb des Streams ist

Beispiel mit einem Array

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// Erstelle ein Array mit Strings
String[] greeting = {"C", "A", "B"};

// Sortiere die Strings nach ihrer natürlichen Reihenfolge (alphabetisch) und 
// gib die sortierten Elementen in der Console wieder aus
Arrays.stream(greeting)
      .sorted()
      .forEach(System.out::println);

Beispiel mit einer Liste

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// Erstelle eine Liste mit Zahlen
List<Integer> list = Arrays.asList(-9, -18, 0, 25, 4);

// Sortiere die Zahlen nach ihrer natürlichen Reihenfolge (numerisch sortiert) und 
// gib die sortierten Elementen in der Console wieder aus
list.stream()
    .sorted()
    .forEach(System.out::println);

Terminale Operationen

Die forEach() Methode

Die forEach(Consumer action) Methode gehört zu den terminalen Operationen eines Streams.

Der Parameter action ist vom Typ Consumer (ist ein FunctionalInterface). Dieser Typ repräsentiert eine Operation (eine Funktion), welche nur ein einziges Input-Argument akzeptiert und keine Ergebnisse (also void) zurückliefert. Ein Beispiel für so einen Consumer ist die Methode System.out.println(...), welche maximal ein einziges Objekt als Parameter akzeptiert, dieses Objekt in den Standard-Output ausgibt und void (also kein Ergebnis) zurückliefert. Die Methode System.out.println erfüllt also die Bedingungen eines Consumers und kann als Parameter für die forEach() Methode verwendet werden

Die forEach()-Methode kann als Ersatz für einen for-Loop verwendet werden.

Beispiel mit einem Array

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String[] greeting = {"Hello", "Streams"};

// Hier wid jedes Element des Arrays ausgegeben
for (String word : greeting) {
    System.out.println(word);
}

// Hier wird mithilfe von Streams dasselbe erreicht wie beim for-loop
Arrays.stream(greeting)
      .forEach(word -> System.out.println(word));

// Und nun noch kürzer mit der Method-Reference Syntax der obigen Lambda-Expression
Arrays.stream(greeting)
      .forEach(System.out::println);

Beispiel mit einer Liste

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List<String> greetingList = new ArrayList<>();
greetingList.add("Hello");
greetingList.add("Stream");
greetingList.add("List");

// Einmal mit der vollen Syntax der Lambda-Expression
greetingList.stream().forEach(word -> System.out.println(word));
// Und einmal mit der verkürzte Variante mittels Method-Reference
greetingList.stream().forEach(System.out::println);

// Collection, darunter auch Listen, haben selbst eine forEach Methode, 
// welche die gleichen Ergebnisse liefert, wie diejenige vom Stream-Interface
greetingList.forEach(System.out::println);

Die collect()-Methode

Die collect(Collector collector)-Methode ist auch eine terminale Operation auf einem Stream. Sie ermöglicht es, die Ergebnisse der Bearbeitung des Streams in einer neuen Collection (List, Map usw.) zu speichern. Dies ist nötig, da bei der Bearbeitung des Streams die ursprüngliche Elemente nicht geändert werden können.

Der Parameter collector ist vom Typ Collector. Die Aufgabe eines Collectors besteht darin, mehrere Input-Elemente in einem Result-Container zusammenzufassen. Zum Beispiel können die Elemente eines Streams in einer Liste “gespeichert” und zurückgeliefert werden.

Um ein Collector zu erzeugen, wird oft die Klasse Collectors aus dem java.util.stream-Package verwendet. Diese beinhaltet mehrere öffentliche, statische Methode um Collectors unterschiedlicher Typen (List, Map usw.) erzeugen zu können.

Beispiel

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// Erstelle eine Liste von unsortieren Zahlen
List<Integer> unsortedList = Arrays.asList(-9, -18, 0, 25, 4);

// Aus der unstortierte Liste, erstelle eine NEUE, sortierte Liste
List<Integer> sortedList = unsortedList.stream()
                                       .sorted()
                                       .collect(Collectors.toList()); // hier wird aus dem sortierten Stream eine neue Liste erstellt

// gib die unsortierte Liste in der Konsole aus (die Original-Liste wurde nicht verändert!)
unsortedList.forEach(System.out::println);

// gib die sortierte Liste in der Konsole aus
sortedList.forEach(System.out::println);

Die toArray(...)-Methode

Mit der collect(...)-Methode kannst du den Stream in eine Liste umwandeln. Wenn du den Stream aber in ein Array umwandeln möchtest, dann hilft dir die toArray(...)-Methode:

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String[] strings = Stream.of("A", "B", "C")
          // String[]::new muss noch angegeben werden, damit ein String-Array (und nicht ein Object[]) zurückgegeben wird:
          .toArray(String[]::new);


  int[] array = Stream.of(1,2,3,4)
          // Zu einem IntStream umwandeln, weil sonst ein Integer[] statt int[] resultieren müsste:
          .mapToInt(Integer::intValue)
          .toArray();

Die toArray(...)-Methode ist eine terminale Operation auf einem Stream.

Jetzt bist du dran. Löse bitte die Aufgabe 1 - 3 in den Stream-Labs.