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Java 集合 ArrayList和LinkedList的几种循环遍历方式及性能对比分析 [ 转载 ]

2016-07-18 22:34 811 查看

Java 集合 ArrayList和LinkedList的几种循环遍历方式及性能对比分析

@author Trinea

原文链接：http://www.trinea.cn/android/arraylist-linkedlist-loop-performance/

主要介绍ArrayList和LinkedList这两种list的五种循环遍历方式，各种方式的性能测试对比，根据ArrayList和LinkedList的源码实现分析性能结果，总结结论。
通过本文你可以了解(1)List的五种遍历方式及各自性能 (2)foreach及Iterator的实现 (3)加深对ArrayList和LinkedList实现的了解。
阅读本文前希望你已经了解ArrayList顺序存储和LinkedList链式的结构，本文不对此进行介绍。

相关：HashMap循环遍历方式及其性能对比

1. List的五种遍历方式
下面只是简单介绍各种遍历示例(以ArrayList为例)，各自优劣会在本文后面进行分析给出结论。
(1) for each循环

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List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (Integer j : list) {
// use j
}

(2) 显示调用集合迭代器

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List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (Iterator<Integer> iterator = list.iterator(); iterator.hasNext();) {
iterator.next();
}

或

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List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
iterator.next();
}

(3) 下标递增循环，终止条件为每次调用size()函数比较判断

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List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (int j = 0; j < list.size(); j++) {
list.get(j);
}

(4) 下标递增循环，终止条件为和等于size()的临时变量比较判断

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List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
int size = list.size();
for (int j = 0; j < size; j++) {
list.get(j);
}

(5) 下标递减循环

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List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (int j = list.size() - 1; j >= 0; j--) {
list.get(j);
}

在测试前大家可以根据对ArrayList和LinkedList数据结构及Iterator的了解，想想上面五种遍历方式哪个性能更优。

2、List五种遍历方式的性能测试及对比
以下是性能测试代码，会输出不同数量级大小的ArrayList和LinkedList各种遍历方式所花费的时间。

ArrayList和LinkedList循环性能对比测试代码

PS：如果运行报异常in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space，请将main函数里面list size的大小减小。

其中getArrayLists函数会返回不同size的ArrayList，getLinkedLists函数会返回不同size的LinkedList。
loopListCompare函数会分别用上面的遍历方式1-5去遍历每一个list数组(包含不同大小list)中的list。
print开头函数为输出辅助函数。

测试环境为Windows7 32位系统 3.2G双核CPU 4G内存，Java 7，Eclipse -Xms512m -Xmx512m
最终测试结果如下：

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compare loop performance of ArrayList
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list size | 10,000 | 100,000 | 1,000,000 | 10,000,000
-----------------------------------------------------------------------
for each | 1 ms | 3 ms | 14 ms | 152 ms
-----------------------------------------------------------------------
for iterator | 0 ms | 1 ms | 12 ms | 114 ms
-----------------------------------------------------------------------
for list.size() | 1 ms | 1 ms | 13 ms | 128 ms
-----------------------------------------------------------------------
for size = list.size() | 0 ms | 0 ms | 6 ms | 62 ms
-----------------------------------------------------------------------
for j-- | 0 ms | 1 ms | 6 ms | 63 ms
-----------------------------------------------------------------------

compare loop performance of LinkedList
-----------------------------------------------------------------------
list size | 100 | 1,000 | 10,000 | 100,000
-----------------------------------------------------------------------
for each | 0 ms | 1 ms | 1 ms | 2 ms
-----------------------------------------------------------------------
for iterator | 0 ms | 0 ms | 0 ms | 2 ms
-----------------------------------------------------------------------
for list.size() | 0 ms | 1 ms | 73 ms | 7972 ms
-----------------------------------------------------------------------
for size = list.size() | 0 ms | 0 ms | 67 ms | 8216 ms
-----------------------------------------------------------------------
for j-- | 0 ms | 1 ms | 67 ms | 8277 ms
-----------------------------------------------------------------------

第一张表为ArrayList对比结果，第二张表为LinkedList对比结果。

表横向为同一遍历方式不同大小list遍历的时间消耗，纵向为同一list不同遍历方式遍历的时间消耗。
PS：由于首次遍历List会稍微多耗时一点，for each的结果稍微有点偏差，将测试代码中的几个Type顺序调换会发现，for each耗时和for iterator接近。

3、遍历方式性能测试结果分析
(1) foreach介绍
foreach是Java SE5.0引入的功能很强的循环结构，for (Integer j : list)应读作for each int in list。
for (Integer j : list)实现几乎等价于

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Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
Integer j = iterator.next();
}

下面的分析会将foreach和显示调用集合迭代器两种遍历方式归类为Iterator方式，其他三种称为get方式遍历。

这时我们已经发现foreach的一大好处，简单一行实现了四行的功能，使得代码简洁美观，另一大好处是相对于下标循环而言的，foreach不必关心下标初始值和终止值及越界等，所以不易出错。Effective-Java中推荐使用此种写法遍历，本文会验证这个说法。

使用foreach结构的类对象必须实现了Iterable接口，Java的Collection继承自此接口，List实现了Collection，这个接口仅包含一个函数，源码如下：

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package java.lang;

import java.util.Iterator;

/**
* Implementing this interface allows an object to be the target of
* the "foreach" statement.
*
* @param <T> the type of elements returned by the iterator
*
* @since 1.5
*/
public interface Iterable<T> {

/**
* Returns an iterator over a set of elements of type T.
*
* @return an Iterator.
*/
Iterator<T> iterator();
}

iterator()用于返回一个Iterator，从foreach的等价实现中我们可以看到，会调用这个函数得到Iterator，再通过Iterator的next()得到下一个元素，hasNext()判断是否还有更多元素。Iterator源码如下：

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public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();

E next();

void remove();
}

(2) ArrayList遍历方式结果分析

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PS：由于首次遍历List会稍微多耗时一点，for each的结果稍微有点偏差，将测试代码中的几个Type顺序调换会发现，for each耗时和for iterator接近。

从上面我们可以看出：
a. 在ArrayList大小为十万之前，五种遍历方式时间消耗几乎一样
b. 在十万以后，第四、五种遍历方式快于前三种，get方式优于Iterator方式，并且

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int size = list.size();
for (int j = 0; j < size; j++) {
list.get(j);
}

用临时变量size取代list.size()性能更优。我们看看ArrayList中迭代器Iterator和get方法的实现

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private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;

public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}

@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
……
}

public E get(int index) {
rangeCheck(index);

return elementData(index);
}

从中可以看出get和Iterator的next函数同样通过直接定位数据获取元素，只是多了几个判断而已。

c . 从上可以看出即便在千万大小的ArrayList中，几种遍历方式相差也不过50ms左右，且在常用的十万左右时间几乎相等，考虑foreach的优点，我们大可选用foreach这种简便方式进行遍历。

(3) LinkedList遍历方式结果分析

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compare loop performance of LinkedList
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list size | 100 | 1,000 | 10,000 | 100,000
-----------------------------------------------------------------------
for each | 0 ms | 1 ms | 1 ms | 2 ms
-----------------------------------------------------------------------
for iterator | 0 ms | 0 ms | 0 ms | 2 ms
-----------------------------------------------------------------------
for list.size() | 0 ms | 1 ms | 73 ms | 7972 ms
-----------------------------------------------------------------------
for size = list.size() | 0 ms | 0 ms | 67 ms | 8216 ms
-----------------------------------------------------------------------
for j-- | 0 ms | 1 ms | 67 ms | 8277 ms
-----------------------------------------------------------------------

PS：由于首次遍历List会稍微多耗时一点，for each的结果稍微有点偏差，将测试代码中的几个Type顺序调换会发现，for each耗时和for iterator接近。

从上面我们可以看出：
a 在LinkedList大小接近一万时，get方式和Iterator方式就已经差了差不多两个数量级，十万时Iterator方式性能已经远胜于get方式。
我们看看LinkedList中迭代器和get方法的实现

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private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned = null;
private Node<E> next;
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;

ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}

public boolean hasNext() {
return nextIndex < size;
}

public E next() {
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();

lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
……
}

public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}

/**
* Returns the (non-null) Node at the specified element index.
*/
Node<E> node(int index) {
// assert isElementIndex(index);

if (index < (size >> 1)) {
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else {
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}

从上面代码中可以看出LinkedList迭代器的next函数只是通过next指针快速得到下一个元素并返回。而get方法会从头遍历直到index下标，查找一个元素时间复杂度为哦O(n)，遍历的时间复杂度就达到了O(n2)。

所以对于LinkedList的遍历推荐使用foreach，避免使用get方式遍历。

(4) ArrayList和LinkedList遍历方式结果对比分析
从上面的数量级来看，同样是foreach循环遍历，ArrayList和LinkedList时间差不多，可将本例稍作修改加大list size会发现两者基本在一个数量级上。
但ArrayList get函数直接定位获取的方式时间复杂度为O(1)，而LinkedList的get函数时间复杂度为O(n)。
再结合考虑空间消耗的话，建议首选ArrayList。对于个别插入删除非常多的可以使用LinkedList。

4、结论总结
通过上面的分析我们基本可以总结下：
(1) 无论ArrayList还是LinkedList，遍历建议使用foreach，尤其是数据量较大时LinkedList避免使用get遍历。
(2) List使用首选ArrayList。对于个别插入删除非常多的可以使用LinkedList。
(3) 可能在遍历List循环内部需要使用到下标，这时综合考虑下是使用foreach和自增count还是get方式。

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