Java中集合类遍历性能

系统管理员 2022-05-09 01:50 374阅读 0赞

### 集合元素在内存如何存放 ###

数据元素在内存中，主要有2种存储方式：  
1、顺序存储，Random Access（或直接存储，Direct Access）：  
这种方式，相邻的数据元素存放于相邻的内存地址中，整块内存地址是连续的。可以根据元素的位置直接计算出内存地址，直接进行读取。读取一个特定位置元素的平均时间复杂度为O(1)。这种数据结构插入和删除时比较麻烦，查询比较方便。正常来说，只有基于数组实现的集合，才有这种特性。Java中以ArrayList为代表；

2、链式存储，Sequential Access：  
这种方式是将数据元素放在独立的空间中，在内存中每个元素的内存地址都不要求是相邻的。所以每个元素中需要保存下一个元素的索引，即下一个元素的内存地址。所以这种数据结构插入和删除比较方便，但是查找很麻烦，要从第一个开始遍历，因为它无法根据元素的位置直接计算出内存地址，只能按顺序读取元素。读取一个特定位置元素的平均时间复杂度为O(n)。主要以链表为代表。Java中以LinkedList为代表；

### Java集合遍历方式 ###

1）传统的for循环遍历基于计数器  
遍历者自己在集合外部维护一个计数器，然后依次读取每一个位置的元素，直到读取到最后一个元素后。主要就是需要按元素的位置来读取元素，适合于遍历顺序存储的数据结构；

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

2）迭代器遍历Iterator  
Iterator本来是OO的一个设计模式，主要目的就是屏蔽不同数据集合的特点，统一遍历集合的接口。从结构上可以看出，迭代器模式在客户与容器之间加入了迭代器角色。迭代器角色的加入，就可以很好的避免容器内部细节的暴露，而且也使得设计符号“单一职责原则”；  
每一个具体实现的数据集合，一般都需要提供相应的Iterator。相比于传统for循环，Iterator取代了显式的遍历计数器。所以基于顺序存储集合的Iterator可以直接按位置访问数据。而基于链式存储集合的Iterator，正常的实现都是需要保存当前遍历的位置，然后根据当前位置来向前或者向后移动指针

迭代器模式的写法如下：

Iterator iterator = list.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        iterator.next();
    }

3）foreach循环遍历  
foreach内部也是采用了Iterator的方式实现，根据反编译的字节码可以发现，foreach内部也是采用了Iterator的方式实现，只不过Java编译器帮我们生成了这些代码  
优点：代码简洁，不易出错  
缺点：只能做简单的遍历，不能在遍历过程中操作（删除、替换）数据集合

for (ElementType element : list) {
    }

### 遍历性能 ###

1）传统的for循环遍历基于计数器  
ArrayList按位置读取的代码：直接按元素位置读取

public E get(int index) {
        rangeCheck(index);
        return elementData(index);
    }
    E elementData(int index) {
        return (E) elementData[index];
    }

LinkedList按位置读取的代码：如果index小于容量的一半，则从头开始查找，否则从尾部开始查找

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

2）迭代器遍历Iterator  
对于RandomAccess类型的集合来说，如ArrayList迭代器遍历反而因为一些额外的操作，还会增加额外的运行时间；  
对于Sequential Access的集合来说，因为Iterator内部维护了当前遍历的位置，所以每次遍历，读取下一个位置并不需要从集合的第一个元素开始查找，只要把指针向后移一位就行了，这样一来遍历整个集合的时间复杂度就降低为O(n)；以LinkedList的迭代器为例，其内部实现，就是维护当前遍历的位置，然后操作指针移动就可以了

3）foreach循环遍历  
分析Java字节码可知，foreach内部实现原理是通过Iterator实现的，只不过这个Iterator是Java编译器帮我们生成的，所以我们不需要再手动去编写。但是因为每次都要做类型转换检查，所以花费的时间比Iterator略长，而时间复杂度和Iterator是一样

### 使用场景 ###

1）传统的for循环遍历基于计数器  
适用于遍历顺序存储集合，读取性能比较高如ArrayList；不适用于遍历链式存储的集合如LinkedList，时间复杂度太大；

2）迭代器遍历Iterator  
对于顺序存储的数据结构，如果不是太在意时间，推荐选择此方式，毕竟代码更加简洁，也防止了Off-By-One的问题。  
链式存储：推荐此种遍历方式，平均时间复杂度降为O(n)

3）foreach循环遍历  
foreach让代码更加简洁，缺点就是遍历过程中不能操作数据集合（删除等），所以有些场合不使用。而且它本身就是基于Iterator实现的，但是由于类型转换的问题，所以会比直接使用Iterator慢一点，性能上相差不大