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Java Stream 源码分析

由 天涯浪子 提交于 2020-12-03 16:47:33

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。

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：

源码结构

Stream 相关类和接口的继承关系如下图所示：

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。

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。

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。

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。

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。

@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

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)

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

@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

@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：

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

@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。

@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。

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

@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

@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：

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

显然这个第一个元素“kotlin”的 predicate 是不会进入的。

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。

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。

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。

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：

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：

@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。

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

@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

@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

@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());
}

性能

下面的文章参考自：JavaLambdaInternals/8-Stream Performance.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，测试结果汇总.

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，测试结果如下图：

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：

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，测试结果如下图：

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：

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，测试结果如下图：

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：

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性能明显差于显示迭代，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。

参考文章

  1. JavaLambdaInternals/6-Stream Pipelines.md
  2. JavaLambdaInternals/8-Stream Performance.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？

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