ArrayList和LinkedList的幾種迴圈遍歷方式及效能對比分析

       最近看公司的一個做了四年安卓的老手原始碼，真的看到了與他的差距，各種靜態變數，靜態方法。還有高併發，高儲存，快取的各種沒見過的專業名字。有機會一一記錄整理出來。

主要介紹ArrayList和LinkedList這兩種list的五種迴圈遍歷方式，各種方式的效能測試對比，根據ArrayList和LinkedList的原始碼實現分析效能結果，總結結論。
通過本文你可以瞭解(1)List的五種遍歷方式及各自效能 (2)foreach及Iterator的實現 (3)加深對ArrayList和LinkedList實現的瞭解。
閱讀本文前希望你已經瞭解ArrayList順序儲存和LinkedList鏈式的結構，本文不對此進行介紹。
相關：HashMap迴圈遍歷方式及其效能對比
 
1. List的五種遍歷方式
下面只是簡單介紹各種遍歷示例(以ArrayList為例)，各自優劣會在本文後面進行分析給出結論。
(1) for each迴圈


List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (Integer j : list) {
// use j
}


(2) 顯示呼叫集合迭代器
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (Iterator<Integer> iterator = list.iterator(); iterator.hasNext();) {
iterator.next();
}
或
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
iterator.next();
}


3) 下標遞增迴圈，終止條件為每次呼叫size()函式比較判斷


List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (int j = 0; j < list.size(); j++) {
list.get(j);
}


(4) 下標遞增迴圈，終止條件為和等於size()的臨時變數比較判斷
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
int size = list.size();
for (int j = 0; j < size; j++) {
list.get(j);
}
(5) 下標遞減迴圈
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (int j = list.size() - 1; j >= 0; j--) {
list.get(j);
}
在測試前大家可以根據對ArrayList和LinkedList資料結構及Iterator的瞭解，想想上面五種遍歷方式哪個效能更優。


2、List五種遍歷方式的效能測試及對比
以下是效能測試程式碼，會輸出不同數量級大小的ArrayList和LinkedList各種遍歷方式所花費的時間。
ArrayList和LinkedList迴圈效能對比測試程式碼
PS：如果執行報異常in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space，請將main函式裡面list size的大小減小。
其中getArrayLists函式會返回不同size的ArrayList，getLinkedLists函式會返回不同size的LinkedList。
loopListCompare函式會分別用上面的遍歷方式1-5去遍歷每一個list陣列(包含不同大小list)中的list。
print開頭函式為輸出輔助函式。
 
測試環境為Windows7 32位系統 3.2G雙核CPU 4G記憶體，Java 7，Eclipse -Xms512m -Xmx512m
最終測試結果如下：






第一張表為ArrayList對比結果，第二張表為LinkedList對比結果。
表橫向為同一遍歷方式不同大小list遍歷的時間消耗，縱向為同一list不同遍歷方式遍歷的時間消耗。
PS：由於首次遍歷List會稍微多耗時一點，for each的結果稍微有點偏差，將測試程式碼中的幾個Type順序調換會發現，for each耗時和for iterator接近。
 
3、遍歷方式效能測試結果分析
(1) foreach介紹
foreach是Java SE5.0引入的功能很強的迴圈結構，for (Integer j : list)應讀作for each int in list。
for (Integer j : list)實現幾乎等價於


Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
Integer j = iterator.next();
}


下面的分析會將foreach和顯示呼叫集合迭代器兩種遍歷方式歸類為Iterator方式，其他三種稱為get方式遍歷。
這時我們已經發現foreach的一大好處，簡單一行實現了四行的功能，使得程式碼簡潔美觀，另一大好處是相對於下標迴圈而言的，foreach不必關心下標初始值和終止值及越界等，所以不易出錯。Effective-Java中推薦使用此種寫法遍歷，本文會驗證這個說法。
 
使用foreach結構的類物件必須實現了Iterable介面，Java的Collection繼承自此介面，List實現了Collection，這個介面僅包含一個函式，原始碼如下：
package java.lang;


import java.util.Iterator;


/**
 * Implementing this interface allows an object to be the target of
 * the "foreach" statement.
 *
 * @param <T> the type of elements returned by the iterator
 *
 * @since 1.5
 */
public interface Iterable<T> {


    /**
     * Returns an iterator over a set of elements of type T.
     *
     * @return an Iterator.
     */
    Iterator<T> iterator();
}


iterator()用於返回一個Iterator，從foreach的等價實現中我們可以看到，會呼叫這個函式得到Iterator，再通過Iterator的next()得到下一個元素，hasNext()判斷是否還有更多元素。Iterator原始碼如下：


public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();


    E next();


    void remove();
}
(2) ArrayList遍歷方式結果分析


compare loop performance of ArrayList
-----------------------------------------------------------------------
list size              | 10,000    | 100,000   | 1,000,000 | 10,000,000 
-----------------------------------------------------------------------
for each               | 1 ms      | 3 ms      | 14 ms     | 152 ms    
-----------------------------------------------------------------------
for iterator           | 0 ms      | 1 ms      | 12 ms     | 114 ms    
-----------------------------------------------------------------------
for list.size()        | 1 ms      | 1 ms      | 13 ms     | 128 ms    
-----------------------------------------------------------------------
for size = list.size() | 0 ms      | 0 ms      | 6 ms      | 62 ms     
-----------------------------------------------------------------------
for j--                | 0 ms      | 1 ms      | 6 ms      | 63 ms     
-----------------------------------------------------------------------
PS：由於首次遍歷List會稍微多耗時一點，for each的結果稍微有點偏差，將測試程式碼中的幾個Type順序調換會發現，for each耗時和for iterator接近。
從上面我們可以看出：
a. 在ArrayList大小為十萬之前，五種遍歷方式時間消耗幾乎一樣
b. 在十萬以後，第四、五種遍歷方式快於前三種，get方式優於Iterator方式，並且
int size = list.size();
for (int j = 0; j < size; j++) {
list.get(j);
}
用臨時變數size取代list.size()效能更優。我們看看ArrayList中迭代器Iterator和get方法的實現
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor;       // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;


public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}


@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
……
}


public E get(int index) {
rangeCheck(index);


return elementData(index);
}
從中可以看出get和Iterator的next函式同樣通過直接定位資料獲取元素，只是多了幾個判斷而已。
c . 從上可以看出即便在千萬大小的ArrayList中，幾種遍歷方式相差也不過50ms左右，且在常用的十萬左右時間幾乎相等，考慮foreach的優點，我們大可選用foreach這種簡便方式進行遍歷。
(3) LinkedList遍歷方式結果分析
compare loop performance of LinkedList
-----------------------------------------------------------------------
list size              | 100       | 1,000     | 10,000    | 100,000   
-----------------------------------------------------------------------
for each               | 0 ms      | 1 ms      | 1 ms      | 2 ms      
-----------------------------------------------------------------------
for iterator           | 0 ms      | 0 ms      | 0 ms      | 2 ms      
-----------------------------------------------------------------------
for list.size()        | 0 ms      | 1 ms      | 73 ms     | 7972 ms   
-----------------------------------------------------------------------
for size = list.size() | 0 ms      | 0 ms      | 67 ms     | 8216 ms   
-----------------------------------------------------------------------
for j--                | 0 ms      | 1 ms      | 67 ms     | 8277 ms   
-----------------------------------------------------------------------


PS：由於首次遍歷List會稍微多耗時一點，for each的結果稍微有點偏差，將測試程式碼中的幾個Type順序調換會發現，for each耗時和for iterator接近。
從上面我們可以看出：
a 在LinkedList大小接近一萬時，get方式和Iterator方式就已經差了差不多兩個數量級，十萬時Iterator方式效能已經遠勝於get方式。
我們看看LinkedList中迭代器和get方法的實現
private class ListItr implements ListIterator<E> {
private Node<E> lastReturned = null;
private Node<E> next;
private int nextIndex;
private int expectedModCount = modCount;


ListItr(int index) {
// assert isPositionIndex(index);
next = (index == size) ? null : node(index);
nextIndex = index;
}


public boolean hasNext() {
return nextIndex < size;
}


public E next() {
checkForComodification();
if (!hasNext())
throw new NoSuchElementException();


lastReturned = next;
next = next.next;
nextIndex++;
return lastReturned.item;
}
……
}


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


/**
 * Returns the (non-null) Node at the specified element index.
 */
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;
}
}
從上面程式碼中可以看出LinkedList迭代器的next函式只是通過next指標快速得到下一個元素並返回。而get方法會從頭遍歷直到index下標，查詢一個元素時間複雜度為哦O(n)，遍歷的時間複雜度就達到了O(n2)。
所以對於LinkedList的遍歷推薦使用foreach，避免使用get方式遍歷。
 
(4) ArrayList和LinkedList遍歷方式結果對比分析
從上面的數量級來看，同樣是foreach迴圈遍歷，ArrayList和LinkedList時間差不多，可將本例稍作修改加大list size會發現兩者基本在一個數量級上。
但ArrayList get函式直接定位獲取的方式時間複雜度為O(1)，而LinkedList的get函式時間複雜度為O(n)。
再結合考慮空間消耗的話，建議首選ArrayList。對於個別插入刪除非常多的可以使用LinkedList。
 
4、結論總結
通過上面的分析我們基本可以總結下：
(1) 無論ArrayList還是LinkedList，遍歷建議使用foreach，尤其是資料量較大時LinkedList避免使用get遍歷。
(2) List使用首選ArrayList。對於個別插入刪除非常多的可以使用LinkedList。
(3) 可能在遍歷List迴圈內部需要使用到下標，這時綜合考慮下是使用foreach和自增count還是get方式。