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JAVA遍历机制的性能的比较

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    本文首发于cartoon的博客

    转载请注明出处:https://cartoonyu.github.io/cartoon-blog/post/java/java%E9%81%8D%E5%8E%86%E6%9C%BA%E5%88%B6%E7%9A%84%E6%80%A7%E8%83%BD%E6%AF%94%E8%BE%83/

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

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    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)

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    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

    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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

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    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)

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    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

    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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

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    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)

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    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

    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;foreach性能遥遥领先于Iterator

  • 使用建议

    &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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。

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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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