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JAVA遍历机制的性能的比较

2019-06-09 15:57 1566 查看

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缘由

    近段时间在写leetcode的Lemonade Change时候，发现了for循环与forEach循环的耗时是不一致的，在提交记录上面差了一倍......
    平常开发绝大部分业务逻辑的实现都需要遍历机制的帮忙，虽说也有注意到各数据结构操作的性能比较，但是忽视了遍历机制性能的差异。原本前两天就开始动手写，拖延症......

正文

    现阶段我所知道JAVA遍历机制有三种

  • for循环

  • forEach循环

  • Iterator循环

    JAVA数据结构千千万，但是大部分都是对基础数据结构的封装，比较HashMap依赖于Node数组，LinkedList底层是链表，ArrayList对数组的再封装......扯远了

    总结来说，JAVA的基础数据结构，我觉得有两种

  • 数组
  • 链表

    如果是加上Hash(Hash的操作与数组以及链表不太一致)，就是三种

    因为平常开发大部分都优先选择包装后的数据结构，所以下面我会使用

  • ArrayList(包装后的数组)
  • LinkedList(包装后的链表)
  • HashSet(包装后的Hash类型数组)

    这三种数据结构在遍历机制不同的时候时间的差异

    可能有人对我为什么不对比HashMap呢，因为JAVA设计中，是先实现了Map，再实现Set。如果你有阅读过源码就会发现:每个Set子类的实现中，都有一个序列化后的Map对应属性实现，而因为Hash的查找时间复杂度为O(1)，得出key后查找value的时间大致是一致的，所以我不对比HashMap。

题外话

    我在阅读《疯狂JAVA》读到:JAVA的设计者将Map的内部entry数组中的value设为null进而实现了Set。因为我是以源码以及官方文档为准，具体我不清楚正确与否，但是因为Hash中的key互不相同，Set中元素也互不相同，所以我认为这个观点是正确的。

    为了测试的公平性，我会采取以下的限定

  • 每种数据结构的大小都设置三种量级 10
  • 100
  • 1000
  • 元素都采用随机数生成
  • 遍历进行操作都为输出当前元素的值

    •     注:时间开销受本地环境的影响，可能测量值会出现变化，但是总体上比例是正确的

    ArrayList的比较

    • 代码

      public class TextArray {

private static Random random;

private static List<Integer> list1;

private static List<Integer> list2;

private static List<Integer> list3;

public static void execute(){
random=new Random();
initArray();
testForWith10Object();
testForEachWith10Object();
testIteratorWith10Object();
testForWith100Object();
testForEachWith100Object();
testIteratorWith100Object();
testForWith1000Object();
testForEachWith1000Object();
testIteratorWith1000Object();
}

private static void testForWith10Object(){
printFor(list1);
}

private static void testForWith100Object(){
printFor(list2);
}

private static void testForWith1000Object(){
printFor(list3);
}

private static void testForEachWith10Object(){
printForeach(list1);
}

private static void testForEachWith100Object(){
printForeach(list2);
}

private static void testForEachWith1000Object(){
printForeach(list3);
}

private static void testIteratorWith10Object() {
printIterator(list1);
}

private static void testIteratorWith100Object() {
printIterator(list2);
}

private static void testIteratorWith1000Object() {
printIterator(list3);
}

private static void printFor(List<Integer> list){
System.out.println();
System.out.print("data:");
long start=System.currentTimeMillis();
for(int i=0,length=list.size();i<length;i++){
System.out.print(list.get(i)+" ");
}
System.out.println();
long end=System.currentTimeMillis();
System.out.println("for for "+list.size()+":"+(end-start)+"ms");
}

private static void printForeach(List<Integer> list){
System.out.println();
System.out.print("data:");
long start=System.currentTimeMillis();
for(int temp:list){
System.out.print(temp+" ");
}
System.out.println();
long end=System.currentTimeMillis();
System.out.println("foreach for "+list.size()+":"+(end-start)+"ms");
}

private static void printIterator(List<Integer> list){
System.out.println();
System.out.print("data:");
Iterator<Integer> it=list.iterator();
long start=System.currentTimeMillis();
while(it.hasNext()){
System.out.print(it.next()+" ");
}
System.out.println();
long end=System.currentTimeMillis();
System.out.println("iterator for "+list.size()+":"+(end-start)+"ms");
}

private static void initArray(){
list1=new ArrayList<>();
list2=new ArrayList<>();
list3=new ArrayList<>();
for(int i=0;i<10;i++){
list1.add(random.nextInt());
}
for(int i=0;i<100;i++){
list2.add(random.nextInt());
}
for(int i=0;i<1000;i++){
list3.add(random.nextInt());
}
}
}

    • 输出(忽略对元素的输出)

      for for 10:1ms
foreach for 10:0ms
iterator for 10:2ms

for for 100:5ms
foreach for 100:4ms
iterator for 100:12ms

for for 1000:33ms
foreach for 1000:7ms
iterator for 1000:16ms
      10 100 1000
      for 1ms 5ms 33ms
      forEach 0ms 4ms 7ms
      Iterator 2ms 12ms 16ms

    • 结论

          for的性能最不稳定，foreach次之，Iterator最好

    • 使用建议

        在数据量不明确的情况下(可能1w,10w或其他)，建议使用Iterator进行遍历

      1. 在数据量明确且量级小的时候，优先使用foreach

      2. 需要使用索引时，使用递增变量的开销比for的要小

    LinkedList的比较

    • 代码

      public class TextLinkedList {

private static Random random;

private static List<Integer> list1;

private static List<Integer> list2;

private static List<Integer> list3;

public static void execute(){
random=new Random();
initList();
testForWith10Object();
testForEachWith10Object();
testIteratorWith10Object();
testForWith100Object();
testForEachWith100Object();
testIteratorWith100Object();
testForWith1000Object();
testForEachWith1000Object();
testIteratorWith1000Object();
}

private static void testForWith10Object() {
printFor(list1);
}

private static void testForEachWith10Object() {
printForeach(list1);
}

private static void testIteratorWith10Object() {
printIterator(list1);
}

private static void testForWith100Object() {
printFor(list2);
}

private static void testForEachWith100Object() {
printForeach(list2);
}

private static void testIteratorWith100Object() {
printIterator(list2);
}

private static void testForWith1000Object() {
printFor(list3);
}

private static void testForEachWith1000Object() {
printForeach(list3);
}

private static void testIteratorWith1000Object() {
printIterator(list3);
}

private static void printFor(List<Integer> list){
System.out.println();
System.out.print("data:");
long start=System.currentTimeMillis();
for(int i=0,size=list.size();i<size;i++){
System.out.print(list.get(i));
}
System.out.println();
long end=System.currentTimeMillis();
System.out.println("for for "+list.size()+":"+(end-start)+"ms");
}

private static void printForeach(List<Integer> list){
System.out.println();
System.out.print("data:");
long start=System.currentTimeMillis();
for(int temp:list){
System.out.print(temp+" ");
}
System.out.println();
long end=System.currentTimeMillis();
System.out.println("foreach for "+list.size()+":"+(end-start)+"ms");
}

private static void printIterator(List<Integer> list){
System.out.println();
System.out.print("data:");
Iterator<Integer> it=list.iterator();
long start=System.currentTimeMillis();
while(it.hasNext()){
System.out.print(it.next()+" ");
}
System.out.println();
long end=System.currentTimeMillis();
System.out.println("iterator for "+list.size()+":"+(end-start)+"ms");
}

private static void initList() {
list1=new LinkedList<>();
list2=new LinkedList<>();
list3=new LinkedList<>();
for(int i=0;i<10;i++){
list1.add(random.nextInt());
}
for(int i=0;i<100;i++){
list2.add(random.nextInt());
}
for(int i=0;i<1000;i++){
list3.add(random.nextInt());
}
}
}

    • 输出(忽略对元素的输出)

      for for 10:0ms
foreach for 10:1ms
iterator for 10:0ms

for for 100:1ms
foreach for 100:0ms
iterator for 100:3ms

for for 1000:23ms
foreach for 1000:25ms
iterator for 1000:4ms
      10 100 1000
      for 0ms 1ms 23ms
      forEach 1ms 0ms 25ms
      Iterator 0ms 3ms 4ms

    • 结论

          foreach的性能最不稳定，for次之，Iterator最好

    • 使用建议

        尽量使用Iterator进行遍历

      1. 需要使用索引时，使用递增变量的开销比for的要小

    HashSet的比较

        注：因Hash遍历算法与其他类型不一致，所以取消了for循环的比较

    • 代码

      public class TextHash {

private static Random random;

private static Set<Integer> set1;

private static Set<Integer> set2;

private static Set<Integer> set3;

public static void execute(){
random=new Random();
initHash();
testIteratorWith10Object();
testForEachWith10Object();
testIteratorWith100Object();
testForEachWith100Object();
testIteratorWith1000Object();
testForEachWith1000Object();
}

private static void testIteratorWith10Object() {
printIterator(set1);
}

private static void testForEachWith10Object() {
printForeach(set1);
}

private static void testIteratorWith100Object() {
printIterator(set2);
}

private static void testForEachWith100Object() {
printForeach(set2);
}

private static void testIteratorWith1000Object() {
printIterator(set3);
}

private static void testForEachWith1000Object() {
printForeach(set3);
}

private static void initHash() {
set1=new HashSet<>();
set2=new HashSet<>();
set3=new HashSet<>();
for(int i=0;i<10;i++){
set1.add(random.nextInt());
}
for(int i=0;i<100;i++){
set2.add(random.nextInt());
}
for(int i=0;i<1000;i++){
set3.add(random.nextInt());
}
}

private static void printIterator(Set<Integer> data){
System.out.println();
System.out.print("data:");
long start=System.currentTimeMillis();
Iterator<Integer> it=data.iterator();
while (it.hasNext()){
System.out.print(it.next()+" ");
}
System.out.println();
long end=System.currentTimeMillis();
System.out.println("iterator for "+data.size()+":"+(end-start)+"ms");
}

private static void printForeach(Set<Integer> data){
System.out.println();
System.out.print("data:");
long start=System.currentTimeMillis();
for(int temp:data){
System.out.print(temp+" ");
}
System.out.println();
long end=System.currentTimeMillis();
System.out.println("foreach for "+data.size()+":"+(end-start)+"ms");
}
}

    • 输出(忽略对元素的输出)

      iterator for 10:0ms
foreach for 10:0ms

iterator for 100:6ms
foreach for 100:0ms

iterator for 1000:30ms
foreach for 1000:9ms
      10 100 1000
      foreach 0ms 0ms 9ms
      Iterator 0ms 6ms 30ms

    • 结论

          foreach性能遥遥领先于Iterator

    • 使用建议

          以后就选foreach了，性能好，写起来也方便。

    总结

    1. for循环性能在三者的对比中总体落于下风，而且开销递增幅度较大。以后即使在需要使用索引时我宁愿使用递增变量也不会使用for了。
    2. Iterator的性能在数组以及链表的表现都是最好的，应该是JAVA的设计者优化过了。在响应时间敏感的情况下(例如web响应)，优先考虑。
    3. foreach的性能属于两者之间，写法简单，时间不敏感的情况下我会尽量选用。

        以上就是我对常见数据结构遍历机制的一点比较，虽然只是很初步，但是从中我也学到了很多东西，希望你们也有所收获。

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