创建型模式关注点是如何创建对象，其核心思想是要把对象的创建和使用相分离，这样使得两者能相对独立地变换。

创建型模式包括：

• 工厂方法：Factory Method
• 抽象工厂：Abstract Factory
• 建造者：Builder
• 原型：Prototype
• 单例：Singleton

定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。Factory Method使一个类的实例化延迟到其子类。

工厂方法即Factory Method，是一种对象创建型模式。

工厂方法的目的是使得创建对象和使用对象是分离的，并且客户端总是引用抽象工厂和抽象产品：

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┌─────────────┐      ┌─────────────┐
│   Product   │      │   Factory   │
└─────────────┘      └─────────────┘
       ▲                    ▲
       │                    │
┌─────────────┐      ┌─────────────┐
│ ProductImpl │◀─ ─ ─│ FactoryImpl │
└─────────────┘      └─────────────┘

我们以具体的例子来说：假设我们希望实现一个解析字符串到Number的Factory，可以定义如下：

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public interface NumberFactory {
    Number parse(String s);
}

有了工厂接口，再编写一个工厂的实现类：

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public class NumberFactoryImpl implements NumberFactory {
    public Number parse(String s) {
        return new BigDecimal(s);
    }
}

而产品接口是Number，NumberFactoryImpl返回的实际产品是BigDecimal。

那么客户端如何创建NumberFactoryImpl呢？通常我们会在接口Factory中定义一个静态方法getFactory()来返回真正的子类：

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public interface NumberFactory {
    // 创建方法:
    Number parse(String s);

    // 获取工厂实例:
    static NumberFactory getFactory() {
        return impl;
    }

    static NumberFactory impl = new NumberFactoryImpl();
}

在客户端中，我们只需要和工厂接口NumberFactory以及抽象产品Number打交道：

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NumberFactory factory = NumberFactory.getFactory();
Number result = factory.parse("123.456");

调用方可以完全忽略真正的工厂NumberFactoryImpl和实际的产品BigDecimal，这样做的好处是允许创建产品的代码独立地变换，而不会影响到调用方。

有的童鞋会问：一个简单的parse()需要写这么复杂的工厂吗？实际上大多数情况下我们并不需要抽象工厂，而是通过静态方法直接返回产品，即：

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public class NumberFactory {
    public static Number parse(String s) {
        return new BigDecimal(s);
    }
}

这种简化的使用静态方法创建产品的方式称为静态工厂方法（Static Factory Method）。静态工厂方法广泛地应用在Java标准库中。例如：

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Integer n = Integer.valueOf(100);

Integer既是产品又是静态工厂。它提供了静态方法valueOf()来创建Integer。那么这种方式和直接写new Integer(100)有何区别呢？我们观察valueOf()方法：

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public final class Integer {
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
    ...
}

它的好处在于，valueOf()内部可能会使用new创建一个新的Integer实例，但也可能直接返回一个缓存的Integer实例。对于调用方来说，没必要知道Integer创建的细节。

提示

工厂方法可以隐藏创建产品的细节，且不一定每次都会真正创建产品，完全可以返回缓存的产品，从而提升速度并减少内存消耗。

如果调用方直接使用Integer n = new Integer(100)，那么就失去了使用缓存优化的可能性。

我们经常使用的另一个静态工厂方法是List.of()：

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List<String> list = List.of("A", "B", "C");

这个静态工厂方法接收可变参数，然后返回List接口。需要注意的是，调用方获取的产品总是List接口，而且并不关心它的实际类型。即使调用方知道List产品的实际类型是java.util.ImmutableCollections$ListN，也不要去强制转型为子类，因为静态工厂方法List.of()保证返回List，但也完全可以修改为返回java.util.ArrayList。这就是里氏替换原则：返回实现接口的任意子类都可以满足该方法的要求，且不影响调用方。

提示

总是引用接口而非实现类，能允许变换子类而不影响调用方，即尽可能面向抽象编程。

和List.of()类似，我们使用MessageDigest时，为了创建某个摘要算法，总是使用静态工厂方法getInstance(String)：

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MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA-1");

调用方通过产品名称获得产品实例，不但调用简单，而且获得的引用仍然是MessageDigest这个抽象类。

练习

使用静态工厂方法实现一个类似20200202的整数转换为LocalDate：

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public class LocalDateFactory {
    public static LocalDate fromInt(int yyyyMMdd) {
        ...
    }
}

下载练习

小结

工厂方法是指定义工厂接口和产品接口，但如何创建实际工厂和实际产品被推迟到子类实现，从而使调用方只和抽象工厂与抽象产品打交道。

实际更常用的是更简单的静态工厂方法，它允许工厂内部对创建产品进行优化。

调用方尽量持有接口或抽象类，避免持有具体类型的子类，以便工厂方法能随时切换不同的子类返回，却不影响调用方代码。

提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。

抽象工厂模式（Abstract Factory）是一个比较复杂的创建型模式。

抽象工厂模式和工厂方法不太一样，它要解决的问题比较复杂，不但工厂是抽象的，产品是抽象的，而且有多个产品需要创建，因此，这个抽象工厂会对应到多个实际工厂，每个实际工厂负责创建多个实际产品：

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                             ─ ▶│ProductA│
┌────────┐    ┌─────────┐   │   └────────┘
│ Client │─ ─▶│ Factory │─ ─
└────────┘    └─────────┘   │   ┌────────┐
                   ▲         ─ ▶│ProductB│
           ┌───────┴───────┐    └────────┘
           │               │
      ┌─────────┐     ┌─────────┐
      │Factory1 │     │Factory2 │
      └─────────┘     └─────────┘
           │   ┌─────────┐ │   ┌─────────┐
            ─ ▶│ProductA1│  ─ ▶│ProductA2│
           │   └─────────┘ │   └─────────┘
               ┌─────────┐     ┌─────────┐
           └ ─▶│ProductB1│ └ ─▶│ProductB2│
               └─────────┘     └─────────┘

这种模式有点类似于多个供应商负责提供一系列类型的产品。我们举个例子：

假设我们希望为用户提供一个Markdown文本转换为HTML和Word的服务，它的接口定义如下：

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public interface AbstractFactory {
    // 创建Html文档:
    HtmlDocument createHtml(String md);
    // 创建Word文档:
    WordDocument createWord(String md);
}

注意到上面的抽象工厂仅仅是一个接口，没有任何代码。同样的，因为HtmlDocument和WordDocument都比较复杂，现在我们并不知道如何实现它们，所以只有接口：

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// Html文档接口:
public interface HtmlDocument {
    String toHtml();
    void save(Path path) throws IOException;
}

// Word文档接口:
public interface WordDocument {
    void save(Path path) throws IOException;
}

这样，我们就定义好了抽象工厂（AbstractFactory）以及两个抽象产品（HtmlDocument和WordDocument）。因为实现它们比较困难，我们决定让供应商来完成。

现在市场上有两家供应商：FastDoc Soft的产品便宜，并且转换速度快，而GoodDoc Soft的产品贵，但转换效果好。我们决定同时使用这两家供应商的产品，以便给免费用户和付费用户提供不同的服务。

我们先看看FastDoc Soft的产品是如何实现的。首先，FastDoc Soft必须要有实际的产品，即FastHtmlDocument和FastWordDocument：

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public class FastHtmlDocument implements HtmlDocument {
    public String toHtml() {
        ...
    }
    public void save(Path path) throws IOException {
        ...
    }
}

public class FastWordDocument implements WordDocument {
    public void save(Path path) throws IOException {
        ...
    }
}

然后，FastDoc Soft必须提供一个实际的工厂来生产这两种产品，即FastFactory：

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public class FastFactory implements AbstractFactory {
    public HtmlDocument createHtml(String md) {
        return new FastHtmlDocument(md);
    }
    public WordDocument createWord(String md) {
        return new FastWordDocument(md);
    }
}

这样，我们就可以使用FastDoc Soft的服务了。客户端编写代码如下：

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// 创建AbstractFactory，实际类型是FastFactory:
AbstractFactory factory = new FastFactory();
// 生成Html文档:
HtmlDocument html = factory.createHtml("#Hello\nHello, world!");
html.save(Paths.get(".", "fast.html"));
// 生成Word文档:
WordDocument word = factory.createWord("#Hello\nHello, world!");
word.save(Paths.get(".", "fast.doc"));

如果我们要同时使用GoodDoc Soft的服务怎么办？因为用了抽象工厂模式，GoodDoc Soft只需要根据我们定义的抽象工厂和抽象产品接口，实现自己的实际工厂和实际产品即可：

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// 实际工厂:
public class GoodFactory implements AbstractFactory {
    public HtmlDocument createHtml(String md) {
        return new GoodHtmlDocument(md);
    }
    public WordDocument createWord(String md) {
        return new GoodWordDocument(md);
    }
}

// 实际产品:
public class GoodHtmlDocument implements HtmlDocument {
    ...
}

public class GoodWordDocument implements HtmlDocument {
    ...
}

客户端要使用GoodDoc Soft的服务，只需要把原来的new FastFactory()切换为new GoodFactory()即可。

注意到客户端代码除了通过new创建了FastFactory或GoodFactory外，其余代码只引用了产品接口，并未引用任何实际产品（例如，FastHtmlDocument），如果把创建工厂的代码放到AbstractFactory中，就可以连实际工厂也屏蔽了：

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public interface AbstractFactory {
    public static AbstractFactory createFactory(String name) {
        if (name.equalsIgnoreCase("fast")) {
            return new FastFactory();
        } else if (name.equalsIgnoreCase("good")) {
            return new GoodFactory();
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid factory name");
        }
    }
}

我们来看看FastFactory和GoodFactory创建的WordDocument的实际效果：

注意：出于简化代码的目的，我们只支持两种Markdown语法：以#开头的标题以及普通正文。

练习

使用Abstract Factory模式实现HtmlDocument和WordDocument。

下载练习

小结

抽象工厂模式是为了让创建工厂和一组产品与使用相分离，并可以随时切换到另一个工厂以及另一组产品；

抽象工厂模式实现的关键点是定义工厂接口和产品接口，但如何实现工厂与产品本身需要留给具体的子类实现，客户端只和抽象工厂与抽象产品打交道。

将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。

生成器模式（Builder）是使用多个“小型”工厂来最终创建出一个完整对象。

当我们使用Builder的时候，一般来说，是因为创建这个对象的步骤比较多，每个步骤都需要一个零部件，最终组合成一个完整的对象。

我们仍然以Markdown转HTML为例，因为直接编写一个完整的转换器比较困难，但如果针对类似下面的一行文本：

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# this is a heading

转换成HTML就很简单：

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<h1>this is a heading</h1>

因此，我们把Markdown转HTML看作一行一行的转换，每一行根据语法，使用不同的转换器：

• 如果以#开头，使用HeadingBuilder转换；
• 如果以>开头，使用QuoteBuilder转换；
• 如果以---开头，使用HrBuilder转换；
• 其余使用ParagraphBuilder转换。

这个HtmlBuilder写出来如下：

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public class HtmlBuilder {
    private HeadingBuilder headingBuilder = new HeadingBuilder();
    private HrBuilder hrBuilder = new HrBuilder();
    private ParagraphBuilder paragraphBuilder = new ParagraphBuilder();
    private QuoteBuilder quoteBuilder = new QuoteBuilder();

    public String toHtml(String markdown) {
        StringBuilder buffer = new StringBuilder();
        markdown.lines().forEach(line -> {
            if (line.startsWith("#")) {
                buffer.append(headingBuilder.buildHeading(line)).append('\n');
            } else if (line.startsWith(">")) {
                buffer.append(quoteBuilder.buildQuote(line)).append('\n');
            } else if (line.startsWith("---")) {
                buffer.append(hrBuilder.buildHr(line)).append('\n');
            } else {
                buffer.append(paragraphBuilder.buildParagraph(line)).append('\n');
            }
        });
        return buffer.toString();
    }
}

注意观察上述代码，HtmlBuilder并不是一次性把整个Markdown转换为HTML，而是一行一行转换，并且，它自己并不会将某一行转换为特定的HTML，而是根据特性把每一行都“委托”给一个XxxBuilder去转换，最后，把所有转换的结果组合起来，返回给客户端。

这样一来，我们只需要针对每一种类型编写不同的Builder。例如，针对以#开头的行，需要HeadingBuilder：

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public class HeadingBuilder {
    public String buildHeading(String line) {
        int n = 0;
        while (line.charAt(0) == '#') {
            n++;
            line = line.substring(1);
        }
        return String.format("<h%d>%s</h%d>", n, line.strip(), n);
    }
}

注意

实际解析Markdown是带有状态的，即下一行的语义可能与上一行相关。这里我们简化了语法，把每一行视为可以独立转换。

可见，使用Builder模式时，适用于创建的对象比较复杂，最好一步一步创建出“零件”，最后再装配起来。

JavaMail的MimeMessage就可以看作是一个Builder模式，只不过Builder和最终产品合二为一，都是MimeMessage：

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Multipart multipart = new MimeMultipart();
// 添加text:
BodyPart textpart = new MimeBodyPart();
textpart.setContent(body, "text/html;charset=utf-8");
multipart.addBodyPart(textpart);
// 添加image:
BodyPart imagepart = new MimeBodyPart();
imagepart.setFileName(fileName);
imagepart.setDataHandler(new DataHandler(new ByteArrayDataSource(input, "application/octet-stream")));
multipart.addBodyPart(imagepart);

MimeMessage message = new MimeMessage(session);
// 设置发送方地址:
message.setFrom(new InternetAddress("me@example.com"));
// 设置接收方地址:
message.setRecipient(Message.RecipientType.TO, new InternetAddress("xiaoming@somewhere.com"));
// 设置邮件主题:
message.setSubject("Hello", "UTF-8");
// 设置邮件内容为multipart:
message.setContent(multipart);

很多时候，我们可以简化Builder模式，以链式调用的方式来创建对象。例如，我们经常编写这样的代码：

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StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append(secure ? "https://" : "http://")
       .append("www.liaoxuefeng.com")
       .append("/")
       .append("?t=0");
String url = builder.toString();

由于我们经常需要构造URL字符串，可以使用Builder模式编写一个URLBuilder，调用方式如下：

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String url = URLBuilder.builder() // 创建Builder
        .setDomain("www.liaoxuefeng.com") // 设置domain
        .setScheme("https") // 设置scheme
        .setPath("/") // 设置路径
        .setQuery(Map.of("a", "123", "q", "K&R")) // 设置query
        .build(); // 完成build

练习

使用Builder模式实现一个URLBuilder。

下载练习

小结

Builder模式是为了创建一个复杂的对象，需要多个步骤完成创建，或者需要多个零件组装的场景，且创建过程中可以灵活调用不同的步骤或组件。

原型

用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。

原型模式，即Prototype，是指创建新对象的时候，根据现有的一个原型来创建。

我们举个例子：如果我们已经有了一个String[]数组，想再创建一个一模一样的String[]数组，怎么写？

实际上创建过程很简单，就是把现有数组的元素复制到新数组。如果我们把这个创建过程封装一下，就成了原型模式。用代码实现如下：

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// 原型:
String[] original = { "Apple", "Pear", "Banana" };
// 新对象:
String[] copy = Arrays.copyOf(original, original.length);

对于普通类，我们如何实现原型拷贝？Java的Object提供了一个clone()方法，它的意图就是复制一个新的对象出来，我们需要实现一个Cloneable接口来标识一个对象是“可复制”的：

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public class Student implements Cloneable {
    private int id;
    private String name;
    private int score;

    // 复制新对象并返回:
    public Object clone() {
        Student std = new Student();
        std.id = this.id;
        std.name = this.name;
        std.score = this.score;
        return std;
    }
}

使用的时候，因为clone()的方法签名是定义在Object中，返回类型也是Object，所以要强制转型，比较麻烦：

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Student std1 = new Student();
std1.setId(123);
std1.setName("Bob");
std1.setScore(88);
// 复制新对象:
Student std2 = (Student) std1.clone();
System.out.println(std1);
System.out.println(std2);
System.out.println(std1 == std2); // false

实际上，使用原型模式更好的方式是定义一个copy()方法，返回明确的类型：

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public class Student {
    private int id;
    private String name;
    private int score;

    public Student copy() {
        Student std = new Student();
        std.id = this.id;
        std.name = this.name;
        std.score = this.score;
        return std;
    }
}

原型模式应用不是很广泛，因为很多实例会持有类似文件、Socket这样的资源，而这些资源是无法复制给另一个对象共享的，只有存储简单类型的“值”对象可以复制。

练习

给Student类增加clone()方法。

下载练习

小结

原型模式是根据一个现有对象实例复制出一个新的实例，复制出的类型和属性与原实例相同。

保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

单例模式（Singleton）的目的是为了保证在一个进程中，某个类有且仅有一个实例。

因为这个类只有一个实例，因此，自然不能让调用方使用new Xyz()来创建实例了。所以，单例的构造方法必须是private，这样就防止了调用方自己创建实例，但是在类的内部，是可以用一个静态字段来引用唯一创建的实例的：

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public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

那么问题来了，外部调用方如何获得这个唯一实例？

答案是提供一个静态方法，直接返回实例：

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public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // 通过静态方法返回实例:
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

或者直接把static变量暴露给外部：

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public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

所以，单例模式的实现方式很简单：

1. 只有private构造方法，确保外部无法实例化；
2. 通过private static变量持有唯一实例，保证全局唯一性；
3. 通过public static方法返回此唯一实例，使外部调用方能获取到实例。

Java标准库有一些类就是单例，例如Runtime这个类：

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Runtime runtime = Runtime.getRuntime();

有些童鞋可能听说过延迟加载，即在调用方第一次调用getInstance()时才初始化全局唯一实例，类似这样：

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public class Singleton {
    private static Singleton INSTANCE = null;

    public static Singleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new Singleton();
        }
        return INSTANCE;
    }

    private Singleton() {
    }
}

遗憾的是，这种写法在多线程中是错误的，在竞争条件下会创建出多个实例。必须对整个方法进行加锁：

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public synchronized static Singleton getInstance() {
    if (INSTANCE == null) {
        INSTANCE = new Singleton();
    }
    return INSTANCE;
}

但加锁会严重影响并发性能。还有些童鞋听说过双重检查，类似这样：

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public static Singleton getInstance() {
    if (INSTANCE == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (INSTANCE == null) {
                INSTANCE = new Singleton();
            }
        }
    }
    return INSTANCE;
}

然而，由于Java的内存模型，双重检查在这里不成立。要真正实现延迟加载，只能通过Java的ClassLoader机制完成。如果没有特殊的需求，使用Singleton模式的时候，最好不要延迟加载，这样会使代码更简单。

另一种实现Singleton的方式是利用Java的enum，因为Java保证枚举类的每个枚举都是单例，所以我们只需要编写一个只有一个枚举的类即可：

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public enum World {
    // 唯一枚举:
	INSTANCE;

	private String name = "world";

	public String getName() {
		return this.name;
	}

	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
}

枚举类也完全可以像其他类那样定义自己的字段、方法，这样上面这个World类在调用方看来就可以这么用：

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String name = World.INSTANCE.getName();

使用枚举实现Singleton还避免了第一种方式实现Singleton的一个潜在问题：即序列化和反序列化会绕过普通类的private构造方法从而创建出多个实例，而枚举类就没有这个问题。

那我们什么时候应该用Singleton呢？实际上，很多程序，尤其是Web程序，大部分服务类都应该被视作Singleton，如果全部按Singleton的写法写，会非常麻烦，所以，通常是通过约定让框架（例如Spring）来实例化这些类，保证只有一个实例，调用方自觉通过框架获取实例而不是new操作符：

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@Component // 表示一个单例组件
public class MyService {
    ...
}

因此，除非确有必要，否则Singleton模式一般以“约定”为主，不会刻意实现它。

练习

使用两种Singleton模式实现单例。

下载练习

小结

Singleton模式是为了保证一个程序的运行期间，某个类有且只有一个全局唯一实例；

Singleton模式既可以严格实现，也可以以约定的方式把普通类视作单例。

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设计模式

设计模式，即Design Patterns，是指在软件设计中，被反复使用的一种代码设计经验。使用设计模式的目的是为了可重用代码，提高代码的可扩展性和可维护性。

设计模式这个术语是上个世纪90年代由Erich Gamma、Richard Helm、Raplh Johnson和Jonhn Vlissides四个人总结提炼出来的，并且写了一本Design Patterns的书。这四人也被称为四人帮（GoF）。

为什么要使用设计模式？根本原因还是软件开发要实现可维护、可扩展，就必须尽量复用代码，并且降低代码的耦合度。设计模式主要是基于OOP编程提炼的，它基于以下几个原则：

开闭原则

由Bertrand Meyer提出的开闭原则（Open Closed Principle）是指，软件应该对扩展开放，而对修改关闭。这里的意思是在增加新功能的时候，能不改代码就尽量不要改，如果只增加代码就完成了新功能，那是最好的。

里氏替换原则

里氏替换原则是Barbara Liskov提出的，这是一种面向对象的设计原则，即如果我们调用一个父类的方法可以成功，那么替换成子类调用也应该完全可以运行。

设计模式把一些常用的设计思想提炼出一个个模式，然后给每个模式命名，这样在使用的时候更方便交流。GoF把23个常用模式分为创建型模式、结构型模式和行为型模式三类，我们后续会一一讲解。

学习设计模式，关键是学习设计思想，不能简单地生搬硬套，也不能为了使用设计模式而过度设计，要合理平衡设计的复杂度和灵活性，并意识到设计模式也并不是万能的。

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函数式编程

本章我们介绍Java的函数式编程。

我们先看看什么是函数。函数是一种最基本的任务，一个大型程序就是一个顶层函数调用若干底层函数，这些被调用的函数又可以调用其他函数，即大任务被一层层拆解并执行。所以函数就是面向过程的程序设计的基本单元。

Java不支持单独定义函数，但可以把静态方法视为独立的函数，把实例方法视为自带this参数的函数。

而函数式编程（请注意多了一个“式”字）——Functional Programming，虽然也可以归结到面向过程的程序设计，但其思想更接近数学计算。

我们首先要搞明白计算机（Computer）和计算（Compute）的概念。

在计算机的层次上，CPU执行的是加减乘除的指令代码，以及各种条件判断和跳转指令，所以，汇编语言是最贴近计算机的语言。

而计算则指数学意义上的计算，越是抽象的计算，离计算机硬件越远。

对应到编程语言，就是越低级的语言，越贴近计算机，抽象程度低，执行效率高，比如C语言；越高级的语言，越贴近计算，抽象程度高，执行效率低，比如Lisp语言。

函数式编程就是一种抽象程度很高的编程范式，纯粹的函数式编程语言编写的函数没有变量，因此，任意一个函数，只要输入是确定的，输出就是确定的，这种纯函数我们称之为没有副作用。而允许使用变量的程序设计语言，由于函数内部的变量状态不确定，同样的输入，可能得到不同的输出，因此，这种函数是有副作用的。

函数式编程的一个特点就是，允许把函数本身作为参数传入另一个函数，还允许返回一个函数！

函数式编程最早是数学家阿隆佐·邱奇研究的一套函数变换逻辑，又称Lambda Calculus（λ-Calculus），所以也经常把函数式编程称为Lambda计算。

Java平台从Java 8开始，支持函数式编程。

在了解Lambda之前，我们先回顾一下Java的方法。

Java的方法分为实例方法，例如Integer定义的equals()方法：

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public final class Integer {
    boolean equals(Object o) {
        ...
    }
}

以及静态方法，例如Integer定义的parseInt()方法：

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public final class Integer {
    public static int parseInt(String s) {
        ...
    }
}

无论是实例方法，还是静态方法，本质上都相当于过程式语言的函数。例如C函数：

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char* strcpy(char* dest, char* src)

只不过Java的实例方法隐含地传入了一个this变量，即实例方法总是有一个隐含参数this。

函数式编程（Functional Programming）是把函数作为基本运算单元，函数可以作为变量，可以接收函数，还可以返回函数。历史上研究函数式编程的理论是Lambda演算，所以我们经常把支持函数式编程的编码风格称为Lambda表达式。

Lambda表达式

在Java程序中，我们经常遇到一大堆单方法接口，即一个接口只定义了一个方法：

• Comparator
• Runnable
• Callable

以Comparator为例，我们想要调用Arrays.sort()时，可以传入一个Comparator实例，以匿名类方式编写如下：

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String[] array = ...
Arrays.sort(array, new Comparator<String>() {
    public int compare(String s1, String s2) {
        return s1.compareTo(s2);
    }
});

上述写法非常繁琐。从Java 8开始，我们可以用Lambda表达式替换单方法接口。改写上述代码如下：

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// Lambda
import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String[] array = new String[] { "Apple", "Orange", "Banana", "Lemon" };
        Arrays.sort(array, (s1, s2) -> {
            return s1.compareTo(s2);
        });
        System.out.println(String.join(", ", array));
    }
}

观察Lambda表达式的写法，它只需要写出方法定义：

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(s1, s2) -> {
    return s1.compareTo(s2);
}

其中，参数是(s1, s2)，参数类型可以省略，因为编译器可以自动推断出String类型。-> { ... }表示方法体，所有代码写在内部即可。Lambda表达式没有class定义，因此写法非常简洁。

如果只有一行return xxx的代码，完全可以用更简单的写法：

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Arrays.sort(array, (s1, s2) -> s1.compareTo(s2));

返回值的类型也是由编译器自动推断的，这里推断出的返回值是int，因此，只要返回int，编译器就不会报错。

FunctionalInterface

我们把只定义了单方法的接口称之为FunctionalInterface，用注解@FunctionalInterface标记。例如，Callable接口：

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@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
    V call() throws Exception;
}

再来看Comparator接口：

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@FunctionalInterface
public interface Comparator<T> {

    int compare(T o1, T o2);

    boolean equals(Object obj);

    default Comparator<T> reversed() {
        return Collections.reverseOrder(this);
    }

    default Comparator<T> thenComparing(Comparator<? super T> other) {
        ...
    }
    ...
}

虽然Comparator接口有很多方法，但只有一个抽象方法int compare(T o1, T o2)，其他的方法都是default方法或static方法。另外注意到boolean equals(Object obj)是Object定义的方法，不算在接口方法内。因此，Comparator也是一个FunctionalInterface。

练习

使用Lambda表达式实现忽略大小写排序。

下载练习

小结

单方法接口被称为FunctionalInterface。

接收FunctionalInterface作为参数的时候，可以把实例化的匿名类改写为Lambda表达式，能大大简化代码。

Lambda表达式的参数和返回值均可由编译器自动推断。

使用Lambda表达式，我们就可以不必编写FunctionalInterface接口的实现类，从而简化代码：

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Arrays.sort(array, (s1, s2) -> {
    return s1.compareTo(s2);
});

实际上，除了Lambda表达式，我们还可以直接传入方法引用。例如：

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import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String[] array = new String[] { "Apple", "Orange", "Banana", "Lemon" };
        Arrays.sort(array, Main::cmp);
        System.out.println(String.join(", ", array));
    }

    static int cmp(String s1, String s2) {
        return s1.compareTo(s2);
    }
}

上述代码在Arrays.sort()中直接传入了静态方法cmp的引用，用Main::cmp表示。

因此，所谓方法引用，是指如果某个方法签名和接口恰好一致，就可以直接传入方法引用。

因为Comparator<String>接口定义的方法是int compare(String, String)，和静态方法int cmp(String, String)相比，除了方法名外，方法参数一致，返回类型相同，因此，我们说两者的方法签名一致，可以直接把方法名作为Lambda表达式传入：

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Arrays.sort(array, Main::cmp);

注意：在这里，方法签名只看参数类型和返回类型，不看方法名称，也不看类的继承关系。

我们再看看如何引用实例方法。如果我们把代码改写如下：

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import java.util.Arrays;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        String[] array = new String[] { "Apple", "Orange", "Banana", "Lemon" };
        Arrays.sort(array, String::compareTo);
        System.out.println(String.join(", ", array));
    }
}

不但可以编译通过，而且运行结果也是一样的，这说明String.compareTo()方法也符合Lambda定义。

观察String.compareTo()的方法定义：

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public final class String {
    public int compareTo(String o) {
        ...
    }
}

这个方法的签名只有一个参数，为什么和int Comparator<String>.compare(String, String)能匹配呢？

因为实例方法有一个隐含的this参数，String类的compareTo()方法在实际调用的时候，第一个隐含参数总是传入this，相当于静态方法：

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public static int compareTo(String this, String o);

所以，String.compareTo()方法也可作为方法引用传入。

构造方法引用

除了可以引用静态方法和实例方法，我们还可以引用构造方法。

我们来看一个例子：如果要把一个List<String>转换为List<Person>，应该怎么办？

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class Person {
    String name;
    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
}

List<String> names = List.of("Bob", "Alice", "Tim");
List<Person> persons = ???

传统的做法是先定义一个ArrayList<Person>，然后用for循环填充这个List：

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List<String> names = List.of("Bob", "Alice", "Tim");
List<Person> persons = new ArrayList<>();
for (String name : names) {
    persons.add(new Person(name));
}

要更简单地实现String到Person的转换，我们可以引用Person的构造方法：

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// 引用构造方法
import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> names = List.of("Bob", "Alice", "Tim");
        List<Person> persons = names.stream().map(Person::new).collect(Collectors.toList());
        System.out.println(persons);
    }
}

class Person {
    String name;
    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String toString() {
        return "Person:" + this.name;
    }
}

后面我们会讲到Stream的map()方法。现在我们看到，这里的map()需要传入的FunctionalInterface的定义是：

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@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);
}

把泛型对应上就是方法签名Person apply(String)，即传入参数String，返回类型Person。而Person类的构造方法恰好满足这个条件，因为构造方法的参数是String，而构造方法虽然没有return语句，但它会隐式地返回this实例，类型就是Person，因此，此处可以引用构造方法。构造方法的引用写法是类名::new，因此，此处传入Person::new。

练习

使用方法引用实现忽略大小写排序。

下载练习

小结

FunctionalInterface允许传入：

• 接口的实现类（传统写法，代码较繁琐）；
• Lambda表达式（只需列出参数名，由编译器推断类型）；
• 符合方法签名的静态方法；
• 符合方法签名的实例方法（实例类型被看做第一个参数类型）；
• 符合方法签名的构造方法（实例类型被看做返回类型）。

FunctionalInterface不强制继承关系，不需要方法名称相同，只要求方法参数（类型和数量）与方法返回类型相同，即认为方法签名相同。

Java从8开始，不但引入了Lambda表达式，还引入了一个全新的流式API：Stream API。它位于java.util.stream包中。

划重点：这个Stream不同于java.io的InputStream和OutputStream，它代表的是任意Java对象的序列。两者对比如下：

有同学会问：一个顺序输出的Java对象序列，不就是一个List容器吗？

再次划重点：这个Stream和List也不一样，List存储的每个元素都是已经存储在内存中的某个Java对象，而Stream输出的元素可能并没有预先存储在内存中，而是实时计算出来的。

换句话说，List的用途是操作一组已存在的Java对象，而Stream实现的是惰性计算，两者对比如下：

Stream看上去有点不好理解，但我们举个例子就明白了。

如果我们要表示一个全体自然数的集合，显然，用List是不可能写出来的，因为自然数是无限的，内存再大也没法放到List中：

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List<BigInteger> list = ??? // 全体自然数?

但是，用Stream可以做到。写法如下：

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Stream<BigInteger> naturals = createNaturalStream(); // 全体自然数

我们先不考虑createNaturalStream()这个方法是如何实现的，我们看看如何使用这个Stream。

首先，我们可以对每个自然数做一个平方，这样我们就把这个Stream转换成了另一个Stream：

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Stream<BigInteger> naturals = createNaturalStream(); // 全体自然数
Stream<BigInteger> streamNxN = naturals.map(n -> n.multiply(n)); // 全体自然数的平方

因为这个streamNxN也有无限多个元素，要打印它，必须首先把无限多个元素变成有限个元素，可以用limit()方法截取前100个元素，最后用forEach()处理每个元素，这样，我们就打印出了前100个自然数的平方：

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Stream<BigInteger> naturals = createNaturalStream();
naturals.map(n -> n.multiply(n)) // 1, 4, 9, 16, 25...
        .limit(100)
        .forEach(System.out::println);

我们总结一下Stream的特点：它可以“存储”有限个或无限个元素。这里的存储打了个引号，是因为元素有可能已经全部存储在内存中，也有可能是根据需要实时计算出来的。

Stream的另一个特点是，一个Stream可以轻易地转换为另一个Stream，而不是修改原Stream本身。

最后，真正的计算通常发生在最后结果的获取，也就是惰性计算。

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Stream<BigInteger> naturals = createNaturalStream(); // 不计算
Stream<BigInteger> s2 = naturals.map(n -> n.multiply(n)); // 不计算
Stream<BigInteger> s3 = s2.limit(100); // 不计算
s3.forEach(System.out::println); // 计算

惰性计算的特点是：一个Stream转换为另一个Stream时，实际上只存储了转换规则，并没有任何计算发生。

例如，创建一个全体自然数的Stream，不会进行计算，把它转换为上述s2这个Stream，也不会进行计算。再把s2这个无限Stream转换为s3这个有限的Stream，也不会进行计算。只有最后，调用forEach确实需要Stream输出的元素时，才进行计算。我们通常把Stream的操作写成链式操作，代码更简洁：

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createNaturalStream()
    .map(n -> n.multiply(n))
    .limit(100)
    .forEach(System.out::println);

因此，Stream API的基本用法就是：创建一个Stream，然后做若干次转换，最后调用一个求值方法获取真正计算的结果：

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int result = createNaturalStream() // 创建Stream
             .filter(n -> n % 2 == 0) // 任意个转换
             .map(n -> n * n) // 任意个转换
             .limit(100) // 任意个转换
             .sum(); // 最终计算结果

小结

Stream API的特点是：

• Stream API提供了一套新的流式处理的抽象序列；
• Stream API支持函数式编程和链式操作；
• Stream可以表示无限序列，并且大多数情况下是惰性求值的。

要使用Stream，就必须先创建它。创建Stream有很多种方法，我们来一一介绍。

Stream.of()

创建Stream最简单的方式是直接用Stream.of()静态方法，传入可变参数即创建了一个能输出确定元素的Stream：

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import java.util.stream.Stream;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream = Stream.of("A", "B", "C", "D");
        // forEach()方法相当于内部循环调用，
        // 可传入符合Consumer接口的void accept(T t)的方法引用：
        stream.forEach(System.out::println);
    }
}

虽然这种方式基本上没啥实质性用途，但测试的时候很方便。

基于数组或Collection

第二种创建Stream的方法是基于一个数组或者Collection，这样该Stream输出的元素就是数组或者Collection持有的元素：

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import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream1 = Arrays.stream(new String[] { "A", "B", "C" });
        Stream<String> stream2 = List.of("X", "Y", "Z").stream();
        stream1.forEach(System.out::println);
        stream2.forEach(System.out::println);
    }
}

把数组变成Stream使用Arrays.stream()方法。对于Collection（List、Set、Queue等），直接调用stream()方法就可以获得Stream。

上述创建Stream的方法都是把一个现有的序列变为Stream，它的元素是固定的。

基于Supplier

创建Stream还可以通过Stream.generate()方法，它需要传入一个Supplier对象：

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Stream<String> s = Stream.generate(Supplier<String> sp);

基于Supplier创建的Stream会不断调用Supplier.get()方法来不断产生下一个元素，这种Stream保存的不是元素，而是算法，它可以用来表示无限序列。

例如，我们编写一个能不断生成自然数的Supplier，它的代码非常简单，每次调用get()方法，就生成下一个自然数：

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import java.util.function.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<Integer> natual = Stream.generate(new NatualSupplier());
        // 注意：无限序列必须先变成有限序列再打印:
        natual.limit(20).forEach(System.out::println);
    }
}

class NatualSupplier implements Supplier<Integer> {
    int n = 0;
    public Integer get() {
        n++;
        return n;
    }
}

上述代码我们用一个Supplier<Integer>模拟了一个无限序列（当然受int范围限制不是真的无限大）。如果用List表示，即便在int范围内，也会占用巨大的内存，而Stream几乎不占用空间，因为每个元素都是实时计算出来的，用的时候再算。

对于无限序列，如果直接调用forEach()或者count()这些最终求值操作，会进入死循环，因为永远无法计算完这个序列，所以正确的方法是先把无限序列变成有限序列，例如，用limit()方法可以截取前面若干个元素，这样就变成了一个有限序列，对这个有限序列调用forEach()或者count()操作就没有问题。

其他方法

创建Stream的第三种方法是通过一些API提供的接口，直接获得Stream。

例如，Files类的lines()方法可以把一个文件变成一个Stream，每个元素代表文件的一行内容：

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try (Stream<String> lines = Files.lines(Paths.get("/path/to/file.txt"))) {
    ...
}

此方法对于按行遍历文本文件十分有用。

另外，正则表达式的Pattern对象有一个splitAsStream()方法，可以直接把一个长字符串分割成Stream序列而不是数组：

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Pattern p = Pattern.compile("\\s+");
Stream<String> s = p.splitAsStream("The quick brown fox jumps over the lazy dog");
s.forEach(System.out::println);

基本类型

因为Java的泛型不支持基本类型，所以我们无法用Stream<int>这样的类型，会发生编译错误。为了保存int，只能使用Stream<Integer>，但这样会产生频繁的装箱、拆箱操作。为了提高效率，Java标准库提供了IntStream、LongStream和DoubleStream这三种使用基本类型的Stream，它们的使用方法和泛型Stream没有大的区别，设计这三个Stream的目的是提高运行效率：

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// 将int[]数组变为IntStream:
IntStream is = Arrays.stream(new int[] { 1, 2, 3 });
// 将Stream<String>转换为LongStream:
LongStream ls = List.of("1", "2", "3").stream().mapToLong(Long::parseLong);

练习

编写一个能输出斐波拉契数列（Fibonacci）的LongStream：

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1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, ...

下载练习

小结

创建Stream的方法有 ：

• 通过指定元素、指定数组、指定Collection创建Stream；
• 通过Supplier创建Stream，可以是无限序列；
• 通过其他类的相关方法创建。

基本类型的Stream有IntStream、LongStream和DoubleStream。

使用map

Stream.map()是Stream最常用的一个转换方法，它把一个Stream转换为另一个Stream。

所谓map操作，就是把一种操作运算，映射到一个序列的每一个元素上。例如，对x计算它的平方，可以使用函数f(x) = x * x。我们把这个函数映射到一个序列1，2，3，4，5上，就得到了另一个序列1，4，9，16，25：

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                  │
  ┌───┬───┬───┬───┼───┬───┬───┬───┐
  │   │   │   │   │   │   │   │   │
  ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼

[ 1   2   3   4   5   6   7   8   9 ]

  │   │   │   │   │   │   │   │   │
  ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼

[ 1   4   9  16  25  36  49  64  81 ]

可见，map操作，把一个Stream的每个元素一一对应到应用了目标函数的结果上。

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Stream<Integer> s = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5);
Stream<Integer> s2 = s.map(n -> n * n);

如果我们查看Stream的源码，会发现map()方法接收的对象是Function接口对象，它定义了一个apply()方法，负责把一个T类型转换成R类型：

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<R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);

其中，Function的定义是：

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@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    // 将T类型转换为R:
    R apply(T t);
}

利用map()，不但能完成数学计算，对于字符串操作，以及任何Java对象都是非常有用的。例如：

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import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List.of("  Apple ", " pear ", " ORANGE", " BaNaNa ")
                .stream()
                .map(String::trim) // 去空格
                .map(String::toLowerCase) // 变小写
                .forEach(System.out::println); // 打印
    }
}

通过若干步map转换，可以写出逻辑简单、清晰的代码。

练习

使用map()把一组String转换为LocalDate并打印。

下载练习

小结

map()方法用于将一个Stream的每个元素映射成另一个元素并转换成一个新的Stream；

可以将一种元素类型转换成另一种元素类型。

使用filter

Stream.filter()是Stream的另一个常用转换方法。

所谓filter()操作，就是对一个Stream的所有元素一一进行测试，不满足条件的就被“滤掉”了，剩下的满足条件的元素就构成了一个新的Stream。

例如，我们对1，2，3，4，5这个Stream调用filter()，传入的测试函数f(x) = x % 2 != 0用来判断元素是否是奇数，这样就过滤掉偶数，只剩下奇数，因此我们得到了另一个序列1，3，5：

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            f(x) = x % 2 != 0

                  │
  ┌───┬───┬───┬───┼───┬───┬───┬───┐
  │   │   │   │   │   │   │   │   │
  ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼   ▼

[ 1   2   3   4   5   6   7   8   9 ]

  │   X   │   X   │   X   │   X   │
  ▼       ▼       ▼       ▼       ▼

[ 1       3       5       7       9 ]

用IntStream写出上述逻辑，代码如下：

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import java.util.stream.IntStream;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        IntStream.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9)
                .filter(n -> n % 2 != 0)
                .forEach(System.out::println);
    }
}

从结果可知，经过filter()后生成的Stream元素可能变少。

filter()方法接收的对象是Predicate接口对象，它定义了一个test()方法，负责判断元素是否符合条件：

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@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
    // 判断元素t是否符合条件:
    boolean test(T t);
}

filter()除了常用于数值外，也可应用于任何Java对象。例如，从一组给定的LocalDate中过滤掉工作日，以便得到休息日：

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import java.time.*;
import java.util.function.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream.generate(new LocalDateSupplier())
                .limit(31)
                .filter(ldt -> ldt.getDayOfWeek() == DayOfWeek.SATURDAY || ldt.getDayOfWeek() == DayOfWeek.SUNDAY)
                .forEach(System.out::println);
    }
}

class LocalDateSupplier implements Supplier<LocalDate> {
    LocalDate start = LocalDate.of(2020, 1, 1);
    int n = -1;
    public LocalDate get() {
        n++;
        return start.plusDays(n);
    }
}

练习

请使用filter()过滤出成绩及格的同学，并打印出名字。

下载练习

小结

使用filter()方法可以对一个Stream的每个元素进行测试，通过测试的元素被过滤后生成一个新的Stream。

map()和filter()都是Stream的转换方法，而Stream.reduce()则是Stream的一个聚合方法，它可以把一个Stream的所有元素按照聚合函数聚合成一个结果。

我们来看一个简单的聚合方法：

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import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int sum = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).reduce(0, (acc, n) -> acc + n);
        System.out.println(sum); // 45
    }
}

reduce()方法传入的对象是BinaryOperator接口，它定义了一个apply()方法，负责把上次累加的结果和本次的元素 进行运算，并返回累加的结果：

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@FunctionalInterface
public interface BinaryOperator<T> {
    // Bi操作：两个输入，一个输出
    T apply(T t, T u);
}

上述代码看上去不好理解，但我们用for循环改写一下，就容易理解了：

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Stream<Integer> stream = ...
int sum = 0;
for (n : stream) {
    sum = (sum, n) -> sum + n;
}

可见，reduce()操作首先初始化结果为指定值（这里是0），紧接着，reduce()对每个元素依次调用(acc, n) -> acc + n，其中，acc是上次计算的结果：

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// 计算过程:
acc = 0 // 初始化为指定值
acc = acc + n = 0 + 1 = 1 // n = 1
acc = acc + n = 1 + 2 = 3 // n = 2
acc = acc + n = 3 + 3 = 6 // n = 3
acc = acc + n = 6 + 4 = 10 // n = 4
acc = acc + n = 10 + 5 = 15 // n = 5
acc = acc + n = 15 + 6 = 21 // n = 6
acc = acc + n = 21 + 7 = 28 // n = 7
acc = acc + n = 28 + 8 = 36 // n = 8
acc = acc + n = 36 + 9 = 45 // n = 9

因此，实际上这个reduce()操作是一个求和。

如果去掉初始值，我们会得到一个Optional<Integer>：

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Optional<Integer> opt = stream.reduce((acc, n) -> acc + n);
if (opt.isPresent()) {
    System.out.println(opt.get());
}

这是因为Stream的元素有可能是0个，这样就没法调用reduce()的聚合函数了，因此返回Optional对象，需要进一步判断结果是否存在。

利用reduce()，我们可以把求和改成求积，代码也十分简单：

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import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int s = Stream.of(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).reduce(1, (acc, n) -> acc * n);
        System.out.println(s); // 362880
    }
}

注意：计算求积时，初始值必须设置为1。

除了可以对数值进行累积计算外，灵活运用reduce()也可以对Java对象进行操作。下面的代码演示了如何将配置文件的每一行配置通过map()和reduce()操作聚合成一个Map<String, String>：

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import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 按行读取配置文件:
        List<String> props = List.of("profile=native", "debug=true", "logging=warn", "interval=500");
        Map<String, String> map = props.stream()
                // 把k=v转换为Map[k]=v:
                .map(kv -> {
                    String[] ss = kv.split("\\=", 2);
                    return Map.of(ss[0], ss[1]);
                })
                // 把所有Map聚合到一个Map:
                .reduce(new HashMap<String, String>(), (m, kv) -> {
                    m.putAll(kv);
                    return m;
                });
        // 打印结果:
        map.forEach((k, v) -> {
            System.out.println(k + " = " + v);
        });
    }
}

小结

reduce()方法将一个Stream的每个元素依次作用于BinaryOperator，并将结果合并。

reduce()是聚合方法，聚合方法会立刻对Stream进行计算。

我们介绍了Stream的几个常见操作：map()、filter()、reduce()。这些操作对Stream来说可以分为两类，一类是转换操作，即把一个Stream转换为另一个Stream，例如map()和filter()，另一类是聚合操作，即对Stream的每个元素进行计算，得到一个确定的结果，例如reduce()。

区分这两种操作是非常重要的，因为对于Stream来说，对其进行转换操作并不会触发任何计算！我们可以做个实验：

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import java.util.function.Supplier; 
import java.util.stream.Stream;

public class Main {
    public static void main(String[] args)     {
        Stream<Long> s1 = Stream.generate(new NatualSupplier());
        Stream<Long> s2 = s1.map(n -> n * n);
        Stream<Long> s3 = s2.map(n -> n - 1);
        System.out.println(s3); // java.util.stream.ReferencePipeline$3@49476842
    }
}

class NatualSupplier implements Supplier<Long> {
    long n = 0;
    public Long get() {
        n++;
        return n;
    }
}

因为s1是一个Long类型的序列，它的元素高达922亿亿个，但执行上述代码，既不会有任何内存增长，也不会有任何计算，因为转换操作只是保存了转换规则，无论我们对一个Stream转换多少次，都不会有任何实际计算发生。

而聚合操作则不一样，聚合操作会立刻促使Stream输出它的每一个元素，并依次纳入计算，以获得最终结果。所以，对一个Stream进行聚合操作，会触发一系列连锁反应：

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Stream<Long> s1 = Stream.generate(new NatualSupplier());
Stream<Long> s2 = s1.map(n -> n * n);
Stream<Long> s3 = s2.map(n -> n - 1);
Stream<Long> s4 = s3.limit(10);
s4.reduce(0, (acc, n) -> acc + n);

我们对s4进行reduce()聚合计算，会不断请求s4输出它的每一个元素。因为s4的上游是s3，它又会向s3请求元素，导致s3向s2请求元素，s2向s1请求元素，最终，s1从Supplier实例中请求到真正的元素，并经过一系列转换，最终被reduce()聚合出结果。

可见，聚合操作是真正需要从Stream请求数据的，对一个Stream做聚合计算后，结果就不是一个Stream，而是一个其他的Java对象。

输出为List

reduce()只是一种聚合操作，如果我们希望把Stream的元素保存到集合，例如List，因为List的元素是确定的Java对象，因此，把Stream变为List不是一个转换操作，而是一个聚合操作，它会强制Stream输出每个元素。

下面的代码演示了如何将一组String先过滤掉空字符串，然后把非空字符串保存到List中：

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import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream = Stream.of("Apple", "", null, "Pear", "  ", "Orange");
        List<String> list = stream.filter(s -> s != null && !s.isBlank()).collect(Collectors.toList());
        System.out.println(list);
    }
}

把Stream的每个元素收集到List的方法是调用collect()并传入Collectors.toList()对象，它实际上是一个Collector实例，通过类似reduce()的操作，把每个元素添加到一个收集器中（实际上是ArrayList）。

类似的，collect(Collectors.toSet())可以把Stream的每个元素收集到Set中。

输出为数组

把Stream的元素输出为数组和输出为List类似，我们只需要调用toArray()方法，并传入数组的“构造方法”：

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List<String> list = List.of("Apple", "Banana", "Orange");
String[] array = list.stream().toArray(String[]::new);

注意到传入的“构造方法”是String[]::new，它的签名实际上是IntFunction<String[]>定义的String[] apply(int)，即传入int参数，获得String[]数组的返回值。

输出为Map

如果我们要把Stream的元素收集到Map中，就稍微麻烦一点。因为对于每个元素，添加到Map时需要key和value，因此，我们要指定两个映射函数，分别把元素映射为key和value：

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import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Stream<String> stream = Stream.of("APPL:Apple", "MSFT:Microsoft");
        Map<String, String> map = stream
                .collect(Collectors.toMap(
                        // 把元素s映射为key:
                        s -> s.substring(0, s.indexOf(':')),
                        // 把元素s映射为value:
                        s -> s.substring(s.indexOf(':') + 1)));
        System.out.println(map);
    }
}

分组输出

Stream还有一个强大的分组功能，可以按组输出。我们看下面的例子：

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import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("Apple", "Banana", "Blackberry", "Coconut", "Avocado", "Cherry", "Apricots");
        Map<String, List<String>> groups = list.stream()
                .collect(Collectors.groupingBy(s -> s.substring(0, 1), Collectors.toList()));
        System.out.println(groups);
    }
}

分组输出使用Collectors.groupingBy()，它需要提供两个函数：一个是分组的key，这里使用s -> s.substring(0, 1)，表示只要首字母相同的String分到一组，第二个是分组的value，这里直接使用Collectors.toList()，表示输出为List，上述代码运行结果如下：

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{
    A=[Apple, Avocado, Apricots],
    B=[Banana, Blackberry],
    C=[Coconut, Cherry]
}

可见，结果一共有3组，按"A"，"B"，"C"分组，每一组都是一个List。

假设有这样一个Student类，包含学生姓名、班级和成绩：

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class Student {
    int gradeId; // 年级
    int classId; // 班级
    String name; // 名字
    int score; // 分数
}

如果我们有一个Stream<Student>，利用分组输出，可以非常简单地按年级或班级把Student归类。

小结

Stream可以输出为集合：

Stream通过collect()方法可以方便地输出为List、Set、Map，还可以分组输出。

我们把Stream提供的操作分为两类：转换操作和聚合操作。除了前面介绍的常用操作外，Stream还提供了一系列非常有用的方法。

排序

对Stream的元素进行排序十分简单，只需调用sorted()方法：

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import java.util.*;
import java.util.stream.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = List.of("Orange", "apple", "Banana")
            .stream()
            .sorted()
            .collect(Collectors.toList());
        System.out.println(list);
    }
}

此方法要求Stream的每个元素必须实现Comparable接口。如果要自定义排序，传入指定的Comparator即可：

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List<String> list = List.of("Orange", "apple", "Banana")
    .stream()
    .sorted(String::compareToIgnoreCase)
    .collect(Collectors.toList());

注意sorted()只是一个转换操作，它会返回一个新的Stream。

去重

对一个Stream的元素进行去重，没必要先转换为Set，可以直接用distinct()：

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List.of("A", "B", "A", "C", "B", "D")
    .stream()
    .distinct()
    .collect(Collectors.toList()); // [A, B, C, D]

截取

截取操作常用于把一个无限的Stream转换成有限的Stream，skip()用于跳过当前Stream的前N个元素，limit()用于截取当前Stream最多前N个元素：

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List.of("A", "B", "C", "D", "E", "F")
    .stream()
    .skip(2) // 跳过A, B
    .limit(3) // 截取C, D, E
    .collect(Collectors.toList()); // [C, D, E]

截取操作也是一个转换操作，将返回新的Stream。

合并

将两个Stream合并为一个Stream可以使用Stream的静态方法concat()：

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Stream<String> s1 = List.of("A", "B", "C").stream();
Stream<String> s2 = List.of("D", "E").stream();
// 合并:
Stream<String> s = Stream.concat(s1, s2);
System.out.println(s.collect(Collectors.toList())); // [A, B, C, D, E]

flatMap

如果Stream的元素是集合：

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Stream<List<Integer>> s = Stream.of(
        Arrays.asList(1, 2, 3),
        Arrays.asList(4, 5, 6),
        Arrays.asList(7, 8, 9));

而我们希望把上述Stream转换为Stream<Integer>，就可以使用flatMap()：

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Stream<Integer> i = s.flatMap(list -> list.stream());

因此，所谓flatMap()，是指把Stream的每个元素（这里是List）映射为Stream，然后合并成一个新的Stream：

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│└───┴───┴───┘│└───┴───┴───┘│└───┴───┴───┘│
└─────────────┴─────────────┴─────────────┘
                     │
                     │flatMap(List -> Stream)
                     │
                     │
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   ┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
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   └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

并行

通常情况下，对Stream的元素进行处理是单线程的，即一个一个元素进行处理。但是很多时候，我们希望可以并行处理Stream的元素，因为在元素数量非常大的情况，并行处理可以大大加快处理速度。

把一个普通Stream转换为可以并行处理的Stream非常简单，只需要用parallel()进行转换：

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Stream<String> s = ...
String[] result = s.parallel() // 变成一个可以并行处理的Stream
                   .sorted() // 可以进行并行排序
                   .toArray(String[]::new);

经过parallel()转换后的Stream只要可能，就会对后续操作进行并行处理。我们不需要编写任何多线程代码就可以享受到并行处理带来的执行效率的提升。

其他聚合方法

除了reduce()和collect()外，Stream还有一些常用的聚合方法：

• count()：用于返回元素个数；
• max(Comparator<? super T> cp)：找出最大元素；
• min(Comparator<? super T> cp)：找出最小元素。

针对IntStream、LongStream和DoubleStream，还额外提供了以下聚合方法：

• sum()：对所有元素求和；
• average()：对所有元素求平均数。

还有一些方法，用来测试Stream的元素是否满足以下条件：

• boolean allMatch(Predicate<? super T>)：测试是否所有元素均满足测试条件；
• boolean anyMatch(Predicate<? super T>)：测试是否至少有一个元素满足测试条件。

最后一个常用的方法是forEach()，它可以循环处理Stream的每个元素，我们经常传入System.out::println来打印Stream的元素：

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Stream<String> s = ...
s.forEach(str -> {
    System.out.println("Hello, " + str);
});

小结

Stream提供的常用操作有：

转换操作：map()，filter()，sorted()，distinct()；

合并操作：concat()，flatMap()；

并行处理：parallel()；

聚合操作：reduce()，collect()，count()，max()，min()，sum()，average()；

其他操作：allMatch(), anyMatch(), forEach()。

留言與分享

在介绍JDBC之前，我们先简单介绍一下关系数据库。

程序运行的时候，数据都是在内存中的。当程序终止的时候，通常都需要将数据保存到磁盘上，无论是保存到本地磁盘，还是通过网络保存到服务器上，最终都会将数据写入磁盘文件。

而如何定义数据的存储格式就是一个大问题。如果我们自己来定义存储格式，比如保存一个班级所有学生的成绩单：

你可以用一个文本文件保存，一行保存一个学生，用,隔开：

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Michael,99
Bob,85
Bart,59
Lisa,87

你还可以用JSON格式保存，也是文本文件：

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[
    {"name":"Michael","score":99},
    {"name":"Bob","score":85},
    {"name":"Bart","score":59},
    {"name":"Lisa","score":87}
]

你还可以定义各种保存格式，但是问题来了：

存储和读取需要自己实现，JSON还是标准，自己定义的格式就各式各样了；

不能做快速查询，只有把数据全部读到内存中才能自己遍历，但有时候数据的大小远远超过了内存（比如蓝光电影，40GB的数据），根本无法全部读入内存。

为了便于程序保存和读取数据，而且，能直接通过条件快速查询到指定的数据，就出现了数据库（Database）这种专门用于集中存储和查询的软件。

数据库软件诞生的历史非常久远，早在1950年数据库就诞生了。经历了网状数据库，层次数据库，我们现在广泛使用的关系数据库是20世纪70年代基于关系模型的基础上诞生的。

关系模型有一套复杂的数学理论，但是从概念上是十分容易理解的。举个学校的例子：

假设某个XX省YY市ZZ县第一实验小学有3个年级，要表示出这3个年级，可以在Excel中用一个表格画出来：

每个年级又有若干个班级，要把所有班级表示出来，可以在Excel中再画一个表格：

这两个表格有个映射关系，就是根据Grade_ID可以在班级表中查找到对应的所有班级：

也就是Grade表的每一行对应Class表的多行，在关系数据库中，这种基于表（Table）的一对多的关系就是关系数据库的基础。

根据某个年级的ID就可以查找所有班级的行，这种查询语句在关系数据库中称为SQL语句，可以写成：

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SELECT * FROM classes WHERE grade_id = '1';

结果也是一个表：

类似的，Class表的一行记录又可以关联到Student表的多行记录：

由于本教程不涉及到关系数据库的详细内容，如果你想从零学习关系数据库和基本的SQL语句，请参考SQL课程。

NoSQL

你也许还听说过NoSQL数据库，很多NoSQL宣传其速度和规模远远超过关系数据库，所以很多同学觉得有了NoSQL是否就不需要SQL了呢？千万不要被他们忽悠了，连SQL都不明白怎么可能搞明白NoSQL呢？

数据库类别

既然我们要使用关系数据库，就必须选择一个关系数据库。目前广泛使用的关系数据库也就这么几种：

付费的商用数据库：

• Oracle，典型的高富帅；
• SQL Server，微软自家产品，Windows定制专款；
• DB2，IBM的产品，听起来挺高端；
• Sybase，曾经跟微软是好基友，后来关系破裂，现在家境惨淡。

这些数据库都是不开源而且付费的，最大的好处是花了钱出了问题可以找厂家解决，不过在Web的世界里，常常需要部署成千上万的数据库服务器，当然不能把大把大把的银子扔给厂家，所以，无论是Google、Facebook，还是国内的BAT，无一例外都选择了免费的开源数据库：

• MySQL，大家都在用，一般错不了；
• PostgreSQL，学术气息有点重，其实挺不错，但知名度没有MySQL高；
• sqlite，嵌入式数据库，适合桌面和移动应用。

作为一个Java工程师，选择哪个免费数据库呢？当然是MySQL。因为MySQL普及率最高，出了错，可以很容易找到解决方法。而且，围绕MySQL有一大堆监控和运维的工具，安装和使用很方便。

安装MySQL

为了能继续后面的学习，你需要从MySQL官方网站下载并安装MySQL Community Server，这个版本是免费的，其他高级版本是要收钱的（请放心，收钱的功能我们用不上）。MySQL是跨平台的，选择对应的平台下载安装文件，安装即可。

安装时，MySQL会提示输入root用户的口令，请务必记清楚。如果怕记不住，就把口令设置为password。

在Windows上，安装时请选择UTF-8编码，以便正确地处理中文。

在Mac或Linux上，需要编辑MySQL的配置文件，把数据库默认的编码全部改为UTF-8。MySQL的配置文件默认存放在/etc/my.cnf或者/etc/mysql/my.cnf：

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[client]
default-character-set = utf8

[mysqld]
default-storage-engine = INNODB
character-set-server = utf8
collation-server = utf8_general_ci

重启MySQL后，可以通过MySQL的客户端命令行检查编码：

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$ mysql -u root -p
Enter password: 
Welcome to the MySQL monitor...
...

mysql> show variables like '%char%';
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| Variable_name            | Value                                                  |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| character_set_client     | utf8                                                   |
| character_set_connection | utf8                                                   |
| character_set_database   | utf8                                                   |
| character_set_filesystem | binary                                                 |
| character_set_results    | utf8                                                   |
| character_set_server     | utf8                                                   |
| character_set_system     | utf8                                                   |
| character_sets_dir       | /usr/local/mysql-5.1.65-osx10.6-x86_64/share/charsets/ |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
8 rows in set (0.00 sec)

看到utf8字样就表示编码设置正确。

注：如果MySQL的版本≥5.5.3，可以把编码设置为utf8mb4，utf8mb4和utf8完全兼容，但它支持最新的Unicode标准，可以显示emoji字符。

JDBC

什么是JDBC？JDBC是Java DataBase Connectivity的缩写，它是Java程序访问数据库的标准接口。

使用Java程序访问数据库时，Java代码并不是直接通过TCP连接去访问数据库，而是通过JDBC接口来访问，而JDBC接口则通过JDBC驱动来实现真正对数据库的访问。

例如，我们在Java代码中如果要访问MySQL，那么必须编写代码操作JDBC接口。注意到JDBC接口是Java标准库自带的，所以可以直接编译。而具体的JDBC驱动是由数据库厂商提供的，例如，MySQL的JDBC驱动由Oracle提供。因此，访问某个具体的数据库，我们只需要引入该厂商提供的JDBC驱动，就可以通过JDBC接口来访问，这样保证了Java程序编写的是一套数据库访问代码，却可以访问各种不同的数据库，因为他们都提供了标准的JDBC驱动：

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│  ┌───────────────┐  │
   │   Java App    │
│  └───────────────┘  │
           │
│          ▼          │
   ┌───────────────┐
│  │JDBC Interface │◀─┼─── JDK
   └───────────────┘
│          │          │
           ▼
│  ┌───────────────┐  │
   │  JDBC Driver  │◀───── Vendor
│  └───────────────┘  │
           │
└ ─ ─ ─ ─ ─│─ ─ ─ ─ ─ ┘
           ▼
   ┌───────────────┐
   │   Database    │
   └───────────────┘

从代码来看，Java标准库自带的JDBC接口其实就是定义了一组接口，而某个具体的JDBC驱动其实就是实现了这些接口的类：

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│  ┌───────────────┐  │
   │   Java App    │
│  └───────────────┘  │
           │
│          ▼          │
   ┌───────────────┐
│  │JDBC Interface │◀─┼─── JDK
   └───────────────┘
│          │          │
           ▼
│  ┌───────────────┐  │
   │ MySQL Driver  │◀───── Oracle
│  └───────────────┘  │
           │
└ ─ ─ ─ ─ ─│─ ─ ─ ─ ─ ┘
           ▼
   ┌───────────────┐
   │     MySQL     │
   └───────────────┘

实际上，一个MySQL的JDBC的驱动就是一个jar包，它本身也是纯Java编写的。我们自己编写的代码只需要引用Java标准库提供的java.sql包下面的相关接口，由此再间接地通过MySQL驱动的jar包通过网络访问MySQL服务器，所有复杂的网络通讯都被封装到JDBC驱动中，因此，Java程序本身只需要引入一个MySQL驱动的jar包就可以正常访问MySQL服务器：

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   ┌───────────────┐
│  │   App.class   │  │
   └───────────────┘
│          │          │
           ▼
│  ┌───────────────┐  │
   │  java.sql.*   │
│  └───────────────┘  │
           │
│          ▼          │
   ┌───────────────┐     TCP    ┌───────────────┐
│  │ mysql-xxx.jar │──┼────────▶│     MySQL     │
   └───────────────┘            └───────────────┘
└ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┘
          JVM

小结

使用JDBC的好处是：

• 各数据库厂商使用相同的接口，Java代码不需要针对不同数据库分别开发；
• Java程序编译期仅依赖java.sql包，不依赖具体数据库的jar包；
• 可随时替换底层数据库，访问数据库的Java代码基本不变。

前面我们讲了Java程序要通过JDBC接口来查询数据库。JDBC是一套接口规范，它在哪呢？就在Java的标准库java.sql里放着，不过这里面大部分都是接口。接口并不能直接实例化，而是必须实例化对应的实现类，然后通过接口引用这个实例。那么问题来了：JDBC接口的实现类在哪？

因为JDBC接口并不知道我们要使用哪个数据库，所以，用哪个数据库，我们就去使用哪个数据库的“实现类”，我们把某个数据库实现了JDBC接口的jar包称为JDBC驱动。

因为我们选择了MySQL 5.x作为数据库，所以我们首先得找一个MySQL的JDBC驱动。所谓JDBC驱动，其实就是一个第三方jar包，我们直接添加一个Maven依赖就可以了：

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<dependency>
    <groupId>mysql</groupId>
    <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
    <version>5.1.47</version>
    <scope>runtime</scope>
</dependency>

注意到这里添加依赖的scope是runtime，因为编译Java程序并不需要MySQL的这个jar包，只有在运行期才需要使用。如果把runtime改成compile，虽然也能正常编译，但是在IDE里写程序的时候，会多出来一大堆类似com.mysql.jdbc.Connection这样的类，非常容易与Java标准库的JDBC接口混淆，所以坚决不要设置为compile。

有了驱动，我们还要确保MySQL在本机正常运行，并且还需要准备一点数据。这里我们用一个脚本创建数据库和表，然后插入一些数据：

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-- 创建数据库learjdbc:
DROP DATABASE IF EXISTS learnjdbc;
CREATE DATABASE learnjdbc;

-- 创建登录用户learn/口令learnpassword
CREATE USER IF NOT EXISTS learn@'%' IDENTIFIED BY 'learnpassword';
GRANT ALL PRIVILEGES ON learnjdbc.* TO learn@'%' WITH GRANT OPTION;
FLUSH PRIVILEGES;

-- 创建表students:
USE learnjdbc;
CREATE TABLE students (
  id BIGINT AUTO_INCREMENT NOT NULL,
  name VARCHAR(50) NOT NULL,
  gender TINYINT(1) NOT NULL,
  grade INT NOT NULL,
  score INT NOT NULL,
  PRIMARY KEY(id)
) Engine=INNODB DEFAULT CHARSET=UTF8;

-- 插入初始数据:
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小明', 1, 1, 88);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小红', 1, 1, 95);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小军', 0, 1, 93);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小白', 0, 1, 100);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小牛', 1, 2, 96);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小兵', 1, 2, 99);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小强', 0, 2, 86);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小乔', 0, 2, 79);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小青', 1, 3, 85);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小王', 1, 3, 90);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小林', 0, 3, 91);
INSERT INTO students (name, gender, grade, score) VALUES ('小贝', 0, 3, 77);

在控制台输入mysql -u root -p，输入root口令后以root身份，把上述SQL贴到控制台执行一遍就行。如果你运行的是最新版MySQL 8.x，需要调整一下CREATE USER语句。

JDBC连接

使用JDBC时，我们先了解什么是Connection。Connection代表一个JDBC连接，它相当于Java程序到数据库的连接（通常是TCP连接）。打开一个Connection时，需要准备URL、用户名和口令，才能成功连接到数据库。

URL是由数据库厂商指定的格式，例如，MySQL的URL是：

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jdbc:mysql://<hostname>:<port>/<db>?key1=value1&key2=value2

假设数据库运行在本机localhost，端口使用标准的3306，数据库名称是learnjdbc，那么URL如下：

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jdbc:mysql://localhost:3306/learnjdbc?useSSL=false&characterEncoding=utf8

后面的两个参数表示不使用SSL加密，使用UTF-8作为字符编码（注意MySQL的UTF-8是utf8）。

要获取数据库连接，使用如下代码：

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// JDBC连接的URL, 不同数据库有不同的格式:
String JDBC_URL = "jdbc:mysql://localhost:3306/test";
String JDBC_USER = "root";
String JDBC_PASSWORD = "password";
// 获取连接:
Connection conn = DriverManager.getConnection(JDBC_URL, JDBC_USER, JDBC_PASSWORD);
// TODO: 访问数据库...
// 关闭连接:
conn.close();

核心代码是DriverManager提供的静态方法getConnection()。DriverManager会自动扫描classpath，找到所有的JDBC驱动，然后根据我们传入的URL自动挑选一个合适的驱动。

因为JDBC连接是一种昂贵的资源，所以使用后要及时释放。使用try (resource)来自动释放JDBC连接是一个好方法：

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try (Connection conn = DriverManager.getConnection(JDBC_URL, JDBC_USER, JDBC_PASSWORD)) {
    ...
}

JDBC查询

获取到JDBC连接后，下一步我们就可以查询数据库了。查询数据库分以下几步：

第一步，通过Connection提供的createStatement()方法创建一个Statement对象，用于执行一个查询；

第二步，执行Statement对象提供的executeQuery("SELECT * FROM students")并传入SQL语句，执行查询并获得返回的结果集，使用ResultSet来引用这个结果集；

第三步，反复调用ResultSet的next()方法并读取每一行结果。

完整查询代码如下：

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try (Connection conn = DriverManager.getConnection(JDBC_URL, JDBC_USER, JDBC_PASSWORD)) {
    try (Statement stmt = conn.createStatement()) {
        try (ResultSet rs = stmt.executeQuery("SELECT id, grade, name, gender FROM students WHERE gender=1")) {
            while (rs.next()) {
                long id = rs.getLong(1); // 注意：索引从1开始
                long grade = rs.getLong(2);
                String name = rs.getString(3);
                int gender = rs.getInt(4);
            }
        }
    }
}

注意要点：

Statement和ResultSet都是需要关闭的资源，因此嵌套使用try (resource)确保及时关闭；

rs.next()用于判断是否有下一行记录，如果有，将自动把当前行移动到下一行（一开始获得ResultSet时当前行不是第一行）；

ResultSet获取列时，索引从1开始而不是0；

必须根据SELECT的列的对应位置来调用getLong(1)，getString(2)这些方法，否则对应位置的数据类型不对，将报错。

SQL注入

使用Statement拼字符串非常容易引发SQL注入的问题，这是因为SQL参数往往是从方法参数传入的。

我们来看一个例子：假设用户登录的验证方法如下：

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User login(String name, String pass) {
    ...
    stmt.executeQuery("SELECT * FROM user WHERE login='" + name + "' AND pass='" + pass + "'");
    ...
}

其中，参数name和pass通常都是Web页面输入后由程序接收到的。

如果用户的输入是程序期待的值，就可以拼出正确的SQL。例如：name = "bob"，pass = "1234"：

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SELECT * FROM user WHERE login='bob' AND pass='1234'

但是，如果用户的输入是一个精心构造的字符串，就可以拼出意想不到的SQL，这个SQL也是正确的，但它查询的条件不是程序设计的意图。例如：name = "bob' OR pass=", pass = " OR pass='"：

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SELECT * FROM user WHERE login='bob' OR pass=' AND pass=' OR pass=''

这个SQL语句执行的时候，根本不用判断口令是否正确，这样一来，登录就形同虚设。

要避免SQL注入攻击，一个办法是针对所有字符串参数进行转义，但是转义很麻烦，而且需要在任何使用SQL的地方增加转义代码。

还有一个办法就是使用PreparedStatement。使用PreparedStatement可以完全避免SQL注入的问题，因为PreparedStatement始终使用?作为占位符，并且把数据连同SQL本身传给数据库，这样可以保证每次传给数据库的SQL语句是相同的，只是占位符的数据不同，还能高效利用数据库本身对查询的缓存。上述登录SQL如果用PreparedStatement可以改写如下：

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User login(String name, String pass) {
    ...
    String sql = "SELECT * FROM user WHERE login=? AND pass=?";
    PreparedStatement ps = conn.prepareStatement(sql);
    ps.setObject(1, name);
    ps.setObject(2, pass);
    ...
}

所以，PreparedStatement比Statement更安全，而且更快。

注意

使用Java对数据库进行操作时，必须使用PreparedStatement，严禁任何通过参数拼字符串的代码！

我们把上面使用Statement的代码改为使用PreparedStatement：

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try (Connection conn = DriverManager.getConnection(JDBC_URL, JDBC_USER, JDBC_PASSWORD)) {
    try (PreparedStatement ps = conn.prepareStatement("SELECT id, grade, name, gender FROM students WHERE gender=? AND grade=?")) {
        ps.setObject(1, "M"); // 注意：索引从1开始
        ps.setObject(2, 3);
        try (ResultSet rs = ps.executeQuery()) {
            while (rs.next()) {
                long id = rs.getLong("id");
                long grade = rs.getLong("grade");
                String name = rs.getString("name");
                String gender = rs.getString("gender");
            }
        }
    }
}

使用PreparedStatement和Statement稍有不同，必须首先调用setObject()设置每个占位符?的值，最后获取的仍然是ResultSet对象。

另外注意到从结果集读取列时，使用String类型的列名比索引要易读，而且不易出错。

注意到JDBC查询的返回值总是ResultSet，即使我们写这样的聚合查询SELECT SUM(score) FROM ...，也需要按结果集读取：

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ResultSet rs = ...
if (rs.next()) {
    double sum = rs.getDouble(1);
}

数据类型

有的童鞋可能注意到了，使用JDBC的时候，我们需要在Java数据类型和SQL数据类型之间进行转换。JDBC在java.sql.Types定义了一组常量来表示如何映射SQL数据类型，但是平时我们使用的类型通常也就以下几种：

注意：只有最新的JDBC驱动才支持LocalDate和LocalTime。

练习

使用JDBC查询数据库。

下载练习

小结

JDBC接口的Connection代表一个JDBC连接；

使用JDBC查询时，总是使用PreparedStatement进行查询而不是Statement；

查询结果总是ResultSet，即使使用聚合查询也不例外。

数据库操作总结起来就四个字：增删改查，行话叫CRUD：Create，Retrieve，Update和Delete。

查就是查询，我们已经讲过了，就是使用PreparedStatement进行各种SELECT，然后处理结果集。现在我们来看看如何使用JDBC进行增删改。

插入

插入操作是INSERT，即插入一条新记录。通过JDBC进行插入，本质上也是用PreparedStatement执行一条SQL语句，不过最后执行的不是executeQuery()，而是executeUpdate()。示例代码如下：

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try (Connection conn = DriverManager.getConnection(JDBC_URL, JDBC_USER, JDBC_PASSWORD)) {
    try (PreparedStatement ps = conn.prepareStatement(
            "INSERT INTO students (id, grade, name, gender) VALUES (?,?,?,?)")) {
        ps.setObject(1, 999); // 注意：索引从1开始
        ps.setObject(2, 1); // grade
        ps.setObject(3, "Bob"); // name
        ps.setObject(4, "M"); // gender
        int n = ps.executeUpdate(); // 1
    }
}

设置参数与查询是一样的，有几个?占位符就必须设置对应的参数。虽然Statement也可以执行插入操作，但我们仍然要严格遵循绝不能手动拼SQL字符串的原则，以避免安全漏洞。

当成功执行executeUpdate()后，返回值是int，表示插入的记录数量。此处总是1，因为只插入了一条记录。

插入并获取主键

如果数据库的表设置了自增主键，那么在执行INSERT语句时，并不需要指定主键，数据库会自动分配主键。对于使用自增主键的程序，有个额外的步骤，就是如何获取插入后的自增主键的值。

要获取自增主键，不能先插入，再查询。因为两条SQL执行期间可能有别的程序也插入了同一个表。获取自增主键的正确写法是在创建PreparedStatement的时候，指定一个RETURN_GENERATED_KEYS标志位，表示JDBC驱动必须返回插入的自增主键。示例代码如下：

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try (Connection conn = DriverManager.getConnection(JDBC_URL, JDBC_USER, JDBC_PASSWORD)) {
    try (PreparedStatement ps = conn.prepareStatement(
            "INSERT INTO students (grade, name, gender) VALUES (?,?,?)",
            Statement.RETURN_GENERATED_KEYS)) {
        ps.setObject(1, 1); // grade
        ps.setObject(2, "Bob"); // name
        ps.setObject(3, "M"); // gender
        int n = ps.executeUpdate(); // 1
        try (ResultSet rs = ps.getGeneratedKeys()) {
            if (rs.next()) {
                long id = rs.getLong(1); // 注意：索引从1开始
            }
        }
    }
}

观察上述代码，有两点注意事项：

一是调用prepareStatement()时，第二个参数必须传入常量Statement.RETURN_GENERATED_KEYS，否则JDBC驱动不会返回自增主键；

二是执行executeUpdate()方法后，必须调用getGeneratedKeys()获取一个ResultSet对象，这个对象包含了数据库自动生成的主键的值，读取该对象的每一行来获取自增主键的值。如果一次插入多条记录，那么这个ResultSet对象就会有多行返回值。如果插入时有多列自增，那么ResultSet对象的每一行都会对应多个自增值（自增列不一定必须是主键）。

更新

更新操作是UPDATE语句，它可以一次更新若干列的记录。更新操作和插入操作在JDBC代码的层面上实际上没有区别，除了SQL语句不同：

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try (Connection conn = DriverManager.getConnection(JDBC_URL, JDBC_USER, JDBC_PASSWORD)) {
    try (PreparedStatement ps = conn.prepareStatement("UPDATE students SET name=? WHERE id=?")) {
        ps.setObject(1, "Bob"); // 注意：索引从1开始
        ps.setObject(2, 999);
        int n = ps.executeUpdate(); // 返回更新的行数
    }
}

executeUpdate()返回数据库实际更新的行数。返回结果可能是正数，也可能是0（表示没有任何记录更新）。

删除

删除操作是DELETE语句，它可以一次删除若干行。和更新一样，除了SQL语句不同外，JDBC代码都是相同的：