47.优先使用Collection而不是Stream来作为方法的返回类型

许多方法返回元素序列（sequence）。在 Java 8 之前，通常方法的返回类型是 Collection，Set 和 List 这些接口；还包括 Iterable 和数组类型。通常，很容易决定返回哪一种类型。规范（norm）是集合接口。如果该方法仅用于启用 for-each 循环，或者返回的序列不能实现某些 Collection 方法 (通常是 contains(Object))，则使用迭代（Iterable）接口。如果返回的元素是基本类型或有严格的性能要求，则使用数组。在 Java 8 中，将流（Stream）添加到平台中，这使得为序列返回方法选择适当的返回类型的任务变得非常复杂。

你可能听说过，流现在是返回元素序列的明显的选择，但是正如条目 45 所讨论的，流不会使迭代过时：编写好的代码需要明智地结合流和迭代。如果一个 API 只返回一个流，并且一些用户想用 for-each 循环遍历返回的序列，那么这些用户肯定会感到不安。这尤其令人沮丧，因为 Stream 接口在 Iterable 接口中包含唯一的抽象方法，Stream 的方法规范与 Iterable 兼容。阻止程序员使用 for-each 循环在流上迭代的唯一原因是 Stream 无法继承 Iterable。

遗憾的是，这个问题没有好的解决方法。 乍一看，似乎可以将方法引用传递给 Stream 的 iterator 方法。 结果代码可能有点嘈杂和不透明，但并非不合理：

// Won't compile, due to limitations on Java's type inference
for (ProcessHandle ph : ProcessHandle.allProcesses()::iterator) {
    // Process the process
}

不幸的是，如果你试图编译这段代码，会得到一个错误信息:

Test.java:6: error: method reference not expected here
for (ProcessHandle ph : ProcessHandle.allProcesses()::iterator) {

为了使代码编译，必须将方法引用强制转换为适当参数化的 Iterable 类型：

// Hideous workaround to iterate over a stream
for  (ProcessHandle ph : (Iterable<ProcessHandle>)ProcessHandle.allProcesses()::iterator)

此代码有效，但在实践中使用它太嘈杂和不透明。 更好的解决方法是使用适配器方法。 JDK 没有提供这样的方法，但是使用上面的代码片段中使用的相同技术，很容易编写一个方法。 请注意，在适配器方法中不需要强制转换，因为 Java 的类型推断在此上下文中能够正常工作：

// Adapter from  Stream<E> to Iterable<E>
public static <E> Iterable<E> iterableOf(Stream<E> stream) {
    return stream::iterator;
}

使用此适配器，可以使用 for-each 语句迭代任何流：

for (ProcessHandle p : iterableOf(ProcessHandle.allProcesses())) {
    // Process the process
}

注意，条目 34 中的 Anagrams 程序的流版本使用 Files.lines 方法读取字典，而迭代版本使用了 scanner。Files.lines 方法优于 scanner，scanner 在读取文件时无声地吞噬所有异常。理想情况下，我们也会在迭代版本中使用 Files.lines。如果 API 只提供对序列的流访问，而程序员希望使用 for-each 语句遍历序列，那么他们就要做出这种妥协。

相反，如果一个程序员想要使用流管道来处理一个序列，那么一个只提供 Iterable 的 API 会让他感到不安。JDK 同样没有提供适配器，但是编写这个适配器非常简单:

// Adapter from Iterable<E> to Stream<E>
public static <E> Stream<E> streamOf(Iterable<E> iterable) {
    return StreamSupport.stream(iterable.spliterator(), false);
}

如果你正在编写一个返回对象序列的方法，并且它只会在流管道中使用，那么当然可以自由地返回流。类似地，返回仅用于迭代的序列的方法应该返回一个 Iterable。但是如果你写一个公共 API，它返回一个序列，你应该为用户提供哪些想写流管道，哪些想写 for-each 语句，除非你有充分的理由相信大多数用户想要使用相同的机制。

Collection 接口是 Iterable 的子类型，并且具有 stream 方法，因此它提供迭代和流访问。 因此，Collection 或适当的子类型通常是公共序列返回方法的最佳返回类型。 数组还使用 Arrays.asList 和 Stream.of 方法提供简单的迭代和流访问。 如果返回的序列小到足以容易地放入内存中，那么最好返回一个标准集合实现，例如 ArrayList 或 HashSet。 但是不要在内存中存储大的序列，只是为了将它作为集合返回。

如果返回的序列很大但可以简洁地表示，请考虑实现一个专用集合。 例如，假设返回给定集合的幂集（power set：就是原集合中所有的子集（包括全集和空集）构成的集族），该集包含其所有子集。 {a，b，c} 的幂集为 { {}，{a}，{b}，{c}，{a，b}，{a，c}，{b，c}，{a，b, c} }。 如果一个集合具有 n 个元素，则幂集具有 2n 个。 因此，你甚至不应考虑将幂集存储在标准集合实现中。 但是，在 AbstractList 的帮助下，很容易为此实现自定义集合。

诀窍是使用幂集中每个元素的索引作为位向量（bit vector），其中索引中的第 n 位指示源集合中是否存在第 n 个元素。 本质上，从 0 到 2n-1 的二进制数和 n 个元素集和的幂集之间存在自然映射。 这是代码：

// Returns the power set of an input set as custom collection
public class PowerSet {
   public static final <E> Collection<Set<E>> of(Set<E> s) {
      List<E> src = new ArrayList<>(s);

      if (src.size() > 30)
         throw new IllegalArgumentException("Set too big " + s);

      return new AbstractList<Set<E>>() {
         @Override 
         public int size() {
            return 1 << src.size(); // 2 to the power srcSize
         }

         @Override
         public boolean contains(Object o) {
            return o instanceof Set && src.containsAll((Set)o);
         }

         @Override 
         public Set<E> get(int index) {
            Set<E> result = new HashSet<>();
            for (int i = 0; index != 0; i++, index >>= 1)
               if ((index & 1) == 1)
                  result.add(src.get(i));
            return result;
         }
      };
   }
}

请注意，如果输入集合超过 30 个元素，则 PowerSet.of 方法会引发异常。 这突出了使用 Collection 作为返回类型而不是 Stream 或 Iterable 的缺点：Collection 有 int 返回类型的 size 的方法，该方法将返回序列的长度限制为 Integer.MAX_VALUE 或 2³¹-1。Collection 规范允许 size 方法返回 2³¹ - 1，如果集合更大，甚至无限，但这不是一个完全令人满意的解决方案。

为了在 AbstractCollection 上编写 Collection 实现，除了 Iterable 所需的方法之外，只需要实现两种方法：contains 和 size。 通常，编写这些方法的有效实现很容易。 如果不可行，可能是因为在迭代发生之前未预先确定序列的内容，返回 Stream 还是 Iterable 的，无论哪种感觉更自然。 如果选择，可以使用两种不同的方法分别返回。

有时，你会仅根据实现的易用性选择返回类型。例如，假设希望编写一个方法，该方法返回输入列表的所有 (连续的) 子列表。生成这些子列表并将它们放到标准集合中只需要三行代码，但是保存这个集合所需的内存是源列表大小的二次方。虽然这没有指数幂集那么糟糕，但显然是不可接受的。实现自定义集合 (就像我们对幂集所做的那样) 会很乏味，因为 JDK 缺少一个框架 Iterator 实现来帮助我们。

然而，实现输入列表的所有子列表的流是直截了当的，尽管它确实需要一点的洞察力（insight）。 让我们调用一个子列表，该子列表包含列表的第一个元素和列表的前缀。 例如，（a，b，c）的前缀是（a），（a，b）和（a，b，c）。 类似地，让我们调用包含后缀的最后一个元素的子列表，因此（a，b，c）的后缀是（a，b，c），（b，c）和（c）。 洞察力是列表的子列表只是前缀的后缀（或相同的后缀的前缀）和空列表。 这一观察直接展现了一个清晰，合理简洁的实现：

// Returns a stream of all the sublists of its input list
public class SubLists {

   public static <E> Stream<List<E>> of(List<E> list) {
      return Stream.concat(Stream.of(Collections.emptyList()),
         prefixes(list).flatMap(SubLists::suffixes));
   }

   private static <E> Stream<List<E>> prefixes(List<E> list) {
      return IntStream.rangeClosed(1, list.size())
         .mapToObj(end -> list.subList(0, end));
   }

   private static <E> Stream<List<E>> suffixes(List<E> list) {
      return IntStream.range(0, list.size())
         .mapToObj(start -> list.subList(start, list.size()));
   }
}

请注意，Stream.concat 方法用于将空列表添加到返回的流中。 还有，flatMap 方法（条目 45）用于生成由所有前缀的所有后缀组成的单个流。 最后，通过映射 IntStream.range 和 IntStream.rangeClosed 返回的连续 int 值流来生成前缀和后缀。这个习惯用法，粗略地说，流等价于整数索引上的标准 for 循环。因此，我们的子列表实现似于明显的嵌套 for 循环:

for (int start = 0; start < src.size(); start++)
    for (int end = start + 1; end <= src.size(); end++)
        System.out.println(src.subList(start, end));

可以将这个 for 循环直接转换为流。结果比我们以前的实现更简洁，但可能可读性稍差。它类似于条目 45 中的笛卡尔积的使用流的代码:

// Returns a stream of all the sublists of its input list
public static <E> Stream<List<E>> of(List<E> list) {
   return IntStream.range(0, list.size())
      .mapToObj(start ->
         IntStream.rangeClosed(start + 1, list.size())
            .mapToObj(end -> list.subList(start, end)))
      .flatMap(x -> x);
}

与之前的 for 循环一样，此代码不会包换空列表。 为了解决这个问题，可以使用 concat 方法，就像我们在之前版本中所做的那样，或者在 rangeClosed 调用中用 (int) Math.signum(start) 替换 1。

这两种子列表的流实现都可以，但都需要一些用户使用流-迭代适配器 ( Stream-to-Iterable adapte)，或者在更自然的地方使用流。流-迭代适配器不仅打乱了客户端代码，而且在我的机器上使循环速度降低了 2.3 倍。一个专门构建的 Collection 实现 (此处未显示) 要冗长，但运行速度大约是我的机器上基于流的实现的 1.4 倍。

总之，在编写返回元素序列的方法时，请记住，某些用户可能希望将它们作为流处理，而其他用户可能希望迭代方式来处理它们。 尽量适应两个群体。 如果返回集合是可行的，请执行此操作。 如果已经拥有集合中的元素，或者序列中的元素数量足够小，可以创建一个新的元素，那么返回一个标准集合，比如 ArrayList。 否则，请考虑实现自定义集合，就像我们为幂集程序里所做的那样。 如果返回集合是不可行的，则返回流或可迭代的，无论哪个看起来更自然。 如果在将来的 Java 版本中，Stream 接口声明被修改为继承 Iterable，那么应该随意返回流，因为它们将允许流和迭代处理。