在Java Stream中利用模式匹配进行高效类型过滤与转换-java教程-PHP中文网

在Java Stream中利用模式匹配进行高效类型过滤与转换

碧海醫心

发布： 2025-09-25 10:12:04

原创

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在Java Stream中利用模式匹配进行高效类型过滤与转换

本文探讨了在Java Stream API中，如何结合Java 14引入的instanceof模式匹配和Java 16的mapMulti()或经典的flatMap()操作，实现对流中元素进行类型过滤和转换。通过示例代码，详细阐述了这两种方法的使用，并比较了它们在性能和代码简洁性方面的差异，旨在提供一种更优雅、高效的处理流中多态类型的方式。

传统方法与挑战

在处理包含多态类型的stream时，一个常见需求是将超类型流过滤并转换为特定子类型的流。例如，从一个stream<animal>中筛选出所有zebra对象，并得到一个stream<zebra>。在java 14之前，通常需要分两步完成：首先使用filter筛选出zebra实例，然后使用map进行强制类型转换：

Stream<Animal> animalStream = // ... 获取动物流
Stream<Zebra> zebraStream = animalStream
    .filter(Zebra.class::isInstance) // 筛选出Zebra实例
    .map(Zebra.class::cast);       // 强制转换为Zebra类型

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Java 14引入了instanceof模式匹配，使得类型检查和绑定变量可以在同一表达式中完成，极大地提高了代码的可读性：

if (animal instanceof Zebra zebra) {
    System.out.println(zebra.countStripes()); // 直接使用绑定的zebra变量
}

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然而，直接在Stream管道中利用这种模式匹配进行类型过滤和转换，如果采用map结合filter的笨拙方式（例如，map中返回null再filter掉null），会显得不够优雅：

// 这种方式虽然可行，但不推荐，因为它引入了null并需要额外的过滤步骤
Stream<Zebra> zebraStream = animalStream.map(animal -> {
        if (animal instanceof Zebra zebra) {
            return zebra;
        }
        return null;
    })
    .filter(Objects::nonNull);

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为了更优雅地解决这个问题，我们可以利用Java 16引入的mapMulti()或经典的flatMap()操作。

使用 mapMulti 进行类型过滤与转换

Java 16引入的Stream.mapMulti()方法为Stream提供了一种更灵活的“一对多”（或“一对零”）转换机制。它接收一个BiConsumer，其中第一个参数是流中的当前元素，第二个参数是一个Consumer，用于接收并向下游传递零个或多个结果元素。这使得mapMulti成为结合instanceof模式匹配进行类型过滤和转换的理想选择。

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import java.util.stream.Stream;

// 假设有Animal和Zebra类
class Animal {}
class Zebra extends Animal {
    public int countStripes() { return 10; } // 示例方法
}

public class StreamPatternMatching {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<Animal> animalStream = Stream.of(
            new Animal(), new Zebra(), new Animal(), new Zebra()
        );

        // 使用mapMulti和instanceof模式匹配过滤并转换
        Stream<Zebra> zebraStream = animalStream
            .mapMulti((animal, consumer) -> {
                if (animal instanceof Zebra zebra) {
                    consumer.accept(zebra); // 如果是Zebra，则向下游传递
                }
            });

        zebraStream.forEach(zebra -> 
            System.out.println("Zebra with stripes: " + zebra.countStripes())
        );
        // 输出:
        // Zebra with stripes: 10
        // Zebra with stripes: 10
    }
}

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在这个例子中，mapMulti的BiConsumer会遍历animalStream中的每个Animal。如果animal是Zebra的实例，并且成功绑定到zebra变量，那么consumer.accept(zebra)就会将这个Zebra对象传递到结果流中。如果animal不是Zebra，则if条件不满足，consumer.accept()不会被调用，因此该元素不会出现在结果流中，从而实现了过滤和类型转换的目的。

使用 flatMap 作为替代方案

flatMap()是另一个可以实现“一对多”转换的Stream操作。它接收一个Function，该Function将流中的每个元素转换为一个新的Stream，然后flatMap会将所有这些新生成的Stream扁平化为一个单一的Stream。我们可以利用这一点，在Function中根据instanceof模式匹配返回一个包含子类型元素的单例Stream或一个空Stream。

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import java.util.stream.Stream;
import java.util.Objects; // 导入Objects类

// 假设有Animal和Zebra类（同上）

public class StreamPatternMatchingFlatMap {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<Animal> animalStream = Stream.of(
            new Animal(), new Zebra(), new Animal(), new Zebra()
        );

        // 使用flatMap和instanceof模式匹配过滤并转换
        Stream<Zebra> zebraStream = animalStream
            .flatMap(animal -> 
                animal instanceof Zebra zebra ? Stream.of(zebra) : null
            );

        zebraStream.forEach(zebra -> 
            System.out.println("Zebra with stripes: " + zebra.countStripes())
        );
        // 输出与mapMulti相同
    }
}

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这里，flatMap的Function会检查animal是否为Zebra。如果是，它会返回一个只包含该zebra的Stream（Stream.of(zebra)）；如果不是，它会返回null。根据flatMap的文档说明，如果映射函数返回null，flatMap会将其视为空流处理，这比返回Stream.empty()更高效，因为它避免了创建新的Stream.empty()对象。

选择 mapMulti 还是 flatMap？

尽管flatMap也能实现相同的效果，但在这种“一对零或一”的转换场景下，mapMulti通常是更优的选择，原因如下：

效率差异：flatMap要求为每个元素生成一个新的Stream对象（无论是Stream.of(element)还是null代表的空流）。对于大型流，频繁创建这些临时的Stream对象可能会带来额外的性能开销。而mapMulti通过直接调用consumer.accept()来向下游传递元素，避免了这种中间Stream对象的创建，因此在性能上可能更具优势。
语义清晰：mapMulti的API设计更直接地表达了“根据条件，可能向下游传递零个或多个元素”的意图，这与类型过滤和转换的场景高度契合。

因此，当需要将流中的超类型元素根据条件过滤并转换为特定子类型时，推荐使用mapMulti结合instanceof模式匹配。

总结与建议

Java 14引入的instanceof模式匹配极大地提升了处理多态类型时的代码可读性。结合Java 16的mapMulti()方法，我们现在可以在Stream管道中以一种高效且优雅的方式实现类型过滤和转换。相较于传统的filter加map或者flatMap的方案，mapMulti在处理“一对零或一”的转换时，能够提供更好的性能和更清晰的语义。

注意事项：