JAVA遍历机制的性能的比较

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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

  1. 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

  2. 在数据量明确且量级小的时候，优先使用foreach

  3. 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

  1. 尽量使用Iterator进行遍历

  2. 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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