Java Stream API：从嵌套集合中提取唯一值的两种高效方法

在java编程中，我们经常会遇到处理复杂数据结构的需求，例如一个列表中包含另一个列表。一个典型的场景是，我们有一个employee（员工）对象的列表，每个employee对象又包含一个address（地址）对象的列表。如果目标是从所有员工的所有地址中提取出所有唯一的城市名称，传统的做法通常涉及多层嵌套循环。然而，java stream api提供了更简洁、更具声明性的方法来处理这类问题，特别是flatmap()和mapmulti()这两个操作符。

首先，我们定义示例中使用的Employee和Address类：

import java.util.List;
import java.util.Set;
import java.util.HashSet;
import java.util.stream.Collectors;

public class Employee {
    private List<Address> addresses; // 更改为复数，更符合语义

    public Employee(List<Address> addresses) {
        this.addresses = addresses;
    }

    public List<Address> getAddresses() { // 更改为复数
        return addresses;
    }

    // 省略其他getter/setter、构造函数等
}

public class Address {
    private String city;

    public Address(String city) {
        this.city = city;
    }

    public String getCity() {
        return city;
    }

    // 省略其他getter/setter、构造函数等
}

传统的嵌套循环实现如下所示：

public static Set<String> getCityUniqueNameTraditional(List<Employee> empList) {
    Set<String> cityUniqueNames = new HashSet<>();
    for (Employee e : empList) {
        List<Address> addList = e.getAddresses();
        for (Address add : addList) {
            cityUniqueNames.add(add.getCity());
        }
    }
    return cityUniqueNames;
}

虽然上述代码能够正确运行，但当逻辑变得更复杂时，嵌套循环会降低代码的可读性和维护性。接下来，我们将探讨如何使用Stream API来优雅地解决这个问题。

1. 使用 Stream.flatMap() 扁平化流

flatMap()操作是处理嵌套集合的强大工具。它将流中的每个元素转换成一个零个、一个或多个元素的流，然后将这些生成的流连接（扁平化）成一个单一的流。这正是我们从Employee流转换到Address流所需要的。

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工作原理：

1. 首先，我们有一个List<Employee>，通过stream()方法得到Stream<Employee>。
2. flatMap(e -> e.getAddresses().stream())：对于流中的每一个Employee对象e，我们调用e.getAddresses()获取其地址列表，然后将这个列表转换成一个Stream<Address>。flatMap会将所有这些独立的Stream<Address>合并成一个单一的Stream<Address>。
3. map(Address::getCity)：现在我们有了一个Stream<Address>，对其中的每个Address对象，我们调用getCity()方法，将其转换为一个Stream<String>（包含城市名称）。
4. collect(Collectors.toSet())：最后，我们将这个Stream<String>中的所有城市名称收集到一个Set<String>中，Set的特性保证了结果中只包含唯一的城市名称。

示例代码：

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import java.util.List;
import java.util.Set;
import java.util.stream.Collectors;

public class StreamOperations {

    // ... Employee 和 Address 类定义 ...

    public static Set<String> getCityUniqueNameWithFlatMap(List<Employee> empList) {
        return empList.stream() // Stream<Employee>
            .flatMap(employee -> employee.getAddresses().stream()) // Stream<Address>
            .map(Address::getCity) // Stream<String> (city names)
            .collect(Collectors.toSet()); // Set<String> (unique city names)
    }
}

注意事项：

• flatMap()的映射函数必须返回一个Stream。如果返回的是一个Collection（例如e.getAddresses()），则会导致编译错误或逻辑错误。正确做法是将其转换为Collection.stream()。
• flatMap()适用于将“一对多”的映射关系扁平化为单一的流。

2. 使用 Stream.mapMulti() 灵活处理流元素

mapMulti()是Java 16引入的一个更灵活的流操作，它允许在转换过程中向一个下游的Consumer推送零个、一个或多个元素。这在某些场景下可以替代flatMap()，尤其是在需要更精细控制输出元素时。

工作原理：

1. empList.stream()：同样，我们从List<Employee>开始，得到Stream<Employee>。
2. <Address>mapMulti((employee, consumer) -> employee.getAddresses().forEach(consumer))：这是mapMulti()的核心。
   • 它接收一个BiConsumer作为参数，该BiConsumer有两个参数：当前流的元素（employee）和下游的Consumer（consumer）。
   • 对于每个employee，我们获取其地址列表employee.getAddresses()。
   • 然后，我们遍历这个地址列表，并对列表中的每个Address对象调用consumer.accept(address)。这意味着我们将每个Address对象“推送”给下游流。
   • mapMulti的泛型参数<Address>是可选的，用于明确指定输出流的类型。
3. map(Address::getCity)：此时，mapMulti已经将所有Employee的地址扁平化为一个Stream<Address>，接下来的map操作与flatMap示例相同，将Address对象转换为城市名称String。
4. collect(Collectors.toSet())：最终收集到Set<String>。

示例代码：

import java.util.List;
import java.util.Set;
import java.util.stream.Collectors;

public class StreamOperations {

    // ... Employee 和 Address 类定义 ...

    public static Set<String> getCityUniqueNameWithMapMulti(List<Employee> empList) {
        return empList.stream() // Stream<Employee>
            .<Address>mapMulti((employee, consumer) -> // 明确输出类型为Address
                employee.getAddresses().forEach(consumer) // 将每个Address推送到下游
            ) // Stream<Address>
            .map(Address::getCity) // Stream<String> (city names)
            .collect(Collectors.toSet()); // Set<String> (unique city names)
    }
}

flatMap() 与 mapMulti() 的选择：

• flatMap()：通常在转换函数已经返回一个Stream时，或者当转换逻辑可以直接生成一个Stream时，flatMap()是更简洁、更直观的选择。它更专注于将多个流合并成一个。
• mapMulti()：提供更大的灵活性。当你需要根据输入元素有条件地生成零个、一个或多个输出元素时，或者当你的转换逻辑不直接返回一个Stream，而是需要通过调用Consumer来“推送”元素时，mapMulti()可能更合适。例如，处理Optional值，或者从单个元素中提取多个相关但不同类型的数据。对于本例中的简单扁平化，两者都非常有效。

总结

Java Stream API为处理复杂集合操作提供了强大的功能。通过flatMap()和mapMulti()，我们可以将嵌套的列表结构扁平化，并在此基础上执行进一步的转换和收集操作，例如提取唯一的城市名称。相比传统的嵌套循环，Stream API的代码更具可读性、表达性和函数式编程风格，有助于编写更简洁、更易于维护的Java代码。在实际开发中，理解并熟练运用这些流操作符，将极大地提高代码质量和开发效率。

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