ArrayList和LinkedList的幾種循環遍歷方式及性能對比分析

主要介紹ArrayList和LinkedList這兩種list的五種循環遍歷方式，各種方式的性能測試對比，根據ArrayList和LinkedList的源碼實現分析性能結果，總結結論。
通過本文你可以了解(1)List的五種遍歷方式及各自性能 (2)foreach及Iterator的實現 (3)加深對ArrayList和LinkedList實現的了解。
閱讀本文前希望你已經了解ArrayList順序存儲和LinkedList鏈式的結構，本文不對此進行介紹。

 

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)，各自優劣會在本文后面進行分析給出結論。
(1) for each循環

 

Java

 

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

 

(2) 顯示調用集合迭代器

 

Java

 

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List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(); for (Iterator<Integer> iterator = list.iterator(); iterator.hasNext();) { iterator.next(); }

或

 

Java

 

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

 

(3) 下標遞增循環，終止條件為每次調用size()函數比較判斷

 

Java

 

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

 

(4) 下標遞增循環，終止條件為和等於size()的臨時變量比較判斷

 

Java

 

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

 

(5) 下標遞減循環

 

Java

 

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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數據結構及Iterator的了解，想想上面五種遍歷方式哪個性能更優。

 

2、List五種遍歷方式的性能測試及對比
以下是性能測試代碼，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循環性能對比測試代碼

 

PS：如果運行報異常in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space，請將main函數里面list size的大小減小。

其中getArrayLists函數會返回不同size的ArrayList，getLinkedLists函數會返回不同size的LinkedList。
loopListCompare函數會分別用上面的遍歷方式1-5去遍歷每一個list數組(包含不同大小list)中的list。
print開頭函數為輸出輔助函數。

 

測試環境為Windows7 32位系統 3.2G雙核CPU 4G內存，Java 7，Eclipse -Xms512m -Xmx512m
最終測試結果如下：

 

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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     -----------------------------------------------------------------------   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   -----------------------------------------------------------------------

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，將測試代碼中的幾個Type順序調換會發現，for each耗時和for iterator接近。

 

3、遍歷方式性能測試結果分析
(1) foreach介紹
foreach是Java SE5.0引入的功能很強的循環結構，for (Integer j : list)應讀作for each int in list。
for (Integer j : list)實現幾乎等價於

 

Java

 

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

下面的分析會將foreach和顯示調用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，使得代碼簡潔美觀，另一大好處是相對於下標循環而言的，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結構的類對象必須實現了Iterable接口，Java的Collection繼承自此接口，List實現了Collection，這個接口僅包含一個函數，源碼如下：

 

Java

 

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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，會調用這個函數得到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源碼如下：

 

Java

 

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public interface Iterator<E> {     boolean hasNext();       E next();       void remove(); }

 

(2) ArrayList遍歷方式結果分析

 

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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，將測試代碼中的幾個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. 在十萬以后，第四、五種遍歷方式快於前三種，get方式優於Iterator方式，並且

 

Java

 

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

用臨時變量size取代list.size()性能更優。我們看看ArrayList中迭代器Iterator和get方法的實現

 

Java

 

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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函數同樣通過直接定位數據獲取元素，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

 

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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，將測試代碼中的幾個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方式性能已經遠勝於get方式。
我們看看LinkedList中迭代器和get方法的實現

 

Java

 

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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; } }

從上面代碼中可以看出LinkedList迭代器的next函數只是通過next指針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，查找一個元素時間復雜度為哦O(n)，遍歷的時間復雜度就達到了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循環遍歷，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函數直接定位獲取的方式時間復雜度為O(1)，而LinkedList的get函數時間復雜度為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，尤其是數據量較大時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循環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。