10/30
2013

ArrayList和LinkedList的几种循环遍历方式及性能对比分析

主要介绍ArrayList和LinkedList这两种list的五种循环遍历方式,各种方式的性能测试对比,根据ArrayList和LinkedList的源码实现分析性能结果,总结结论
通过本文你可以了解(1)List的五种遍历方式及各自性能 (2)foreach及Iterator的实现 (3)加深对ArrayList和LinkedList实现的了解。
阅读本文前希望你已经了解ArrayList顺序存储和LinkedList链式的结构,本文不对此进行介绍。

相关:HashMap循环遍历方式及其性能对比

 

1. List的五种遍历方式
下面只是简单介绍各种遍历示例(以ArrayList为例),各自优劣会在本文后面进行分析给出结论。
(1) for each循环

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

 

(2) 显示调用集合迭代器

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

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

 

(3) 下标递增循环,终止条件为每次调用size()函数比较判断

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

 

(4) 下标递增循环,终止条件为和等于size()的临时变量比较判断

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

 

(5) 下标递减循环

List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (int j = list.size() - 1; j >= 0; j--) {
	list.get(j);
}

在测试前大家可以根据对ArrayList和LinkedList数据结构及Iterator的了解,想想上面五种遍历方式哪个性能更优。

 

2、List五种遍历方式的性能测试及对比
以下是性能测试代码,会输出不同数量级大小的ArrayList和LinkedList各种遍历方式所花费的时间。

package cn.trinea.java.test;

import java.text.DecimalFormat;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Calendar;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

/**
 * JavaLoopTest
 * 
 * @author http://www.trinea.cn 2013-10-28
 */
public class JavaLoopTest {

    public static void main(String[] args) {

        System.out.print("compare loop performance of ArrayList");
        loopListCompare(getArrayLists(10000, 100000, 1000000, 9000000));

        System.out.print("\r\n\r\ncompare loop performance of LinkedList");
        loopListCompare(getLinkedLists(100, 1000, 10000, 100000));
    }

    public static List<Integer>[] getArrayLists(int... sizeArray) {
        List<Integer>[] listArray = new ArrayList[sizeArray.length];
        for (int i = 0; i < listArray.length; i++) {
            int size = sizeArray[i];
            List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
            for (int j = 0; j < size; j++) {
                list.add(j);
            }
            listArray[i] = list;
        }
        return listArray;
    }

    public static List<Integer>[] getLinkedLists(int... sizeArray) {
        List<Integer>[] listArray = new LinkedList[sizeArray.length];
        for (int i = 0; i < listArray.length; i++) {
            int size = sizeArray[i];
            List<Integer> list = new LinkedList<Integer>();
            for (int j = 0; j < size; j++) {
                list.add(j);
            }
            listArray[i] = list;
        }
        return listArray;
    }

    public static void loopListCompare(List<Integer>... listArray) {
        printHeader(listArray);
        long startTime, endTime;

        // Type 1
        for (int i = 0; i < listArray.length; i++) {
            List<Integer> list = listArray[i];
            startTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            for (Integer j : list) {
                // use j
            }
            endTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            printCostTime(i, listArray.length, "for each", endTime - startTime);
        }

        // Type 2
        for (int i = 0; i < listArray.length; i++) {
            List<Integer> list = listArray[i];
            startTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            // Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
            // while(iterator.hasNext()) {
            // iterator.next();
            // }
            for (Iterator<Integer> iterator = list.iterator(); iterator.hasNext();) {
                iterator.next();
            }
            endTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            printCostTime(i, listArray.length, "for iterator", endTime - startTime);
        }

        // Type 3
        for (int i = 0; i < listArray.length; i++) {
            List<Integer> list = listArray[i];
            startTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            for (int j = 0; j < list.size(); j++) {
                list.get(j);
            }
            endTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            printCostTime(i, listArray.length, "for list.size()", endTime - startTime);
        }

        // Type 4
        for (int i = 0; i < listArray.length; i++) {
            List<Integer> list = listArray[i];
            startTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            int size = list.size();
            for (int j = 0; j < size; j++) {
                list.get(j);
            }
            endTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            printCostTime(i, listArray.length, "for size = list.size()", endTime - startTime);
        }

        // Type 5
        for (int i = 0; i < listArray.length; i++) {
            List<Integer> list = listArray[i];
            startTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            for (int j = list.size() - 1; j >= 0; j--) {
                list.get(j);
            }
            endTime = Calendar.getInstance().getTimeInMillis();
            printCostTime(i, listArray.length, "for j--", endTime - startTime);
        }
    }

    static int                 FIRST_COLUMN_LENGTH = 23, OTHER_COLUMN_LENGTH = 12, TOTAL_COLUMN_LENGTH = 71;
    static final DecimalFormat COMMA_FORMAT        = new DecimalFormat("#,###");

    public static void printHeader(List<Integer>... listArray) {
        printRowDivider();
        for (int i = 0; i < listArray.length; i++) {
            if (i == 0) {
                StringBuilder sb = new StringBuilder().append("list size");
                while (sb.length() < FIRST_COLUMN_LENGTH) {
                    sb.append(" ");
                }
                System.out.print(sb);
            }

            StringBuilder sb = new StringBuilder().append("| ").append(COMMA_FORMAT.format(listArray[i].size()));
            while (sb.length() < OTHER_COLUMN_LENGTH) {
                sb.append(" ");
            }
            System.out.print(sb);
        }
        TOTAL_COLUMN_LENGTH = FIRST_COLUMN_LENGTH + OTHER_COLUMN_LENGTH * listArray.length;
        printRowDivider();
    }

    public static void printRowDivider() {
        System.out.println();
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        while (sb.length() < TOTAL_COLUMN_LENGTH) {
            sb.append("-");
        }
        System.out.println(sb);
    }

    public static void printCostTime(int i, int size, String caseName, long costTime) {
        if (i == 0) {
            StringBuilder sb = new StringBuilder().append(caseName);
            while (sb.length() < FIRST_COLUMN_LENGTH) {
                sb.append(" ");
            }
            System.out.print(sb);
        }

        StringBuilder sb = new StringBuilder().append("| ").append(costTime).append(" ms");
        while (sb.length() < OTHER_COLUMN_LENGTH) {
            sb.append(" ");
        }
        System.out.print(sb);

        if (i == size - 1) {
            printRowDivider();
        }
    }
}

PS:如果运行报异常in thread “main” java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space,请将main函数里面list size的大小减小。

其中getArrayLists函数会返回不同size的ArrayList,getLinkedLists函数会返回不同size的LinkedList。
loopListCompare函数会分别用上面的遍历方式1-5去遍历每一个list数组(包含不同大小list)中的list。
print开头函数为输出辅助函数。

 

测试环境为Windows7 32位系统 3.2G双核CPU 4G内存,Java 7,Eclipse -Xms512m -Xmx512m
最终测试结果如下:

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

第一张表为ArrayList对比结果,第二张表为LinkedList对比结果。

表横向为同一遍历方式不同大小list遍历的时间消耗,纵向为同一list不同遍历方式遍历的时间消耗。
PS:由于首次遍历List会稍微多耗时一点,for each的结果稍微有点偏差,将测试代码中的几个Type顺序调换会发现,for each耗时和for iterator接近。

 

3、遍历方式性能测试结果分析
(1) foreach介绍
foreach是Java SE5.0引入的功能很强的循环结构,for (Integer j : list)应读作for each int in list。
for (Integer j : list)实现几乎等价于

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

下面的分析会将foreach和显示调用集合迭代器两种遍历方式归类为Iterator方式,其他三种称为get方式遍历。

这时我们已经发现foreach的一大好处,简单一行实现了四行的功能,使得代码简洁美观,另一大好处是相对于下标循环而言的,foreach不必关心下标初始值和终止值及越界等,所以不易出错Effective-Java中推荐使用此种写法遍历,本文会验证这个说法。

 

使用foreach结构的类对象必须实现了Iterable接口,Java的Collection继承自此接口,List实现了Collection,这个接口仅包含一个函数,源码如下:

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()用于返回一个Iterator,从foreach的等价实现中我们可以看到,会调用这个函数得到Iterator,再通过Iterator的next()得到下一个元素,hasNext()判断是否还有更多元素。Iterator源码如下:

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

    E next();

    void remove();
}

 

(2) ArrayList遍历方式结果分析

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:由于首次遍历List会稍微多耗时一点,for each的结果稍微有点偏差,将测试代码中的几个Type顺序调换会发现,for each耗时和for iterator接近。

从上面我们可以看出:
a. 在ArrayList大小为十万之前,五种遍历方式时间消耗几乎一样
b. 在十万以后,第四、五种遍历方式快于前三种,get方式优于Iterator方式,并且

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

用临时变量size取代list.size()性能更优。我们看看ArrayList中迭代器Iterator和get方法的实现

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);
}

从中可以看出get和Iterator的next函数同样通过直接定位数据获取元素,只是多了几个判断而已。

c . 从上可以看出即便在千万大小的ArrayList中,几种遍历方式相差也不过50ms左右,且在常用的十万左右时间几乎相等,考虑foreach的优点,我们大可选用foreach这种简便方式进行遍历。

 

(3) LinkedList遍历方式结果分析

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:由于首次遍历List会稍微多耗时一点,for each的结果稍微有点偏差,将测试代码中的几个Type顺序调换会发现,for each耗时和for iterator接近。

从上面我们可以看出:
a 在LinkedList大小接近一万时,get方式和Iterator方式就已经差了差不多两个数量级,十万时Iterator方式性能已经远胜于get方式。
我们看看LinkedList中迭代器和get方法的实现

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;
	}
}

从上面代码中可以看出LinkedList迭代器的next函数只是通过next指针快速得到下一个元素并返回。而get方法会从头遍历直到index下标,查找一个元素时间复杂度为哦O(n),遍历的时间复杂度就达到了O(n2)。

所以对于LinkedList的遍历推荐使用foreach,避免使用get方式遍历。

 

(4) ArrayList和LinkedList遍历方式结果对比分析
从上面的数量级来看,同样是foreach循环遍历,ArrayList和LinkedList时间差不多,可将本例稍作修改加大list size会发现两者基本在一个数量级上。
但ArrayList get函数直接定位获取的方式时间复杂度为O(1),而LinkedList的get函数时间复杂度为O(n)。
再结合考虑空间消耗的话,建议首选ArrayList。对于个别插入删除非常多的可以使用LinkedList。

 

4、结论总结
通过上面的分析我们基本可以总结下:
(1) 无论ArrayList还是LinkedList,遍历建议使用foreach,尤其是数据量较大时LinkedList避免使用get遍历。
(2) List使用首选ArrayList。对于个别插入删除非常多的可以使用LinkedList。
(3) 可能在遍历List循环内部需要使用到下标,这时综合考虑下是使用foreach和自增count还是get方式。

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