java遍历机制性能的比较详解

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

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
• 在数据量明确且量级小的时候，优先使用foreach
• 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

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
• 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

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

• 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。
• 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。
• 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。

好了，以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，谢谢大家对我们的支持。