Java中ArrayList和LinkedList的遍歷與性能分析

更新時間：2016年12月04日 10:04:57 投稿：daisy

這篇文章主要給大家介紹了ArrayList和LinkedList這兩種list的五種循環(huán)遍歷方式，各種方式的性能測試對比，根據(jù)ArrayList和LinkedList的源碼實(shí)現(xiàn)分析性能結(jié)果，總結(jié)結(jié)論。相信對大家的理解和學(xué)習(xí)具有一定的參考價值，有需要的朋友們下面跟著小編一起來學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧。

前言

通過本文你可以了解List的五種遍歷方式及各自性能和foreach及Iterator的實(shí)現(xiàn)，加深對ArrayList和LinkedList實(shí)現(xiàn)的了解。下面來一起看看吧。

一、List的五種遍歷方式

1、for each循環(huán)

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

2、顯示調(diào)用集合迭代器

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(biāo)遞增循環(huán)，終止條件為每次調(diào)用size()函數(shù)比較判斷

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

4、下標(biāo)遞增循環(huán)，終止條件為和等于size()的臨時變量比較判斷

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

5、下標(biāo)遞減循環(huán)

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

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(shù)量級大小的ArrayList和LinkedList各種遍歷方式所花費(fèi)的時間。

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

其中getArrayLists函數(shù)會返回不同size的ArrayList，getLinkedLists函數(shù)會返回不同size的LinkedList。

loopListCompare函數(shù)會分別用上面的遍歷方式1-5去遍歷每一個list數(shù)組(包含不同大小list)中的list。

print開頭函數(shù)為輸出輔助函數(shù)。

測試環(huán)境為Windows7 32位系統(tǒng) 3.2G雙核CPU 4G內(nèi)存，Java 7，Eclipse -Xms512m -Xmx512m

最終測試結(jié)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 
-----------------------------------------------------------------------

第一張表為ArrayList對比結(jié)果，第二張表為LinkedList對比結(jié)果。

表橫向?yàn)橥槐闅v方式不同大小list遍歷的時間消耗，縱向?yàn)橥籰ist不同遍歷方式遍歷的時間消耗。

PS：由于首次遍歷List會稍微多耗時一點(diǎn)，for each的結(jié)果稍微有點(diǎn)偏差，將測試代碼中的幾個Type順序調(diào)換會發(fā)現(xiàn)，for each耗時和for iterator接近。

遍歷方式性能測試結(jié)果分析

1、foreach介紹

foreach是Java SE5.0引入的功能很強(qiáng)的循環(huán)結(jié)構(gòu)，for (Integer j : list)應(yīng)讀作for each int in list。

for (Integer j : list)實(shí)現(xiàn)幾乎等價于

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

foreach代碼書寫簡單，不必關(guān)心下標(biāo)初始值和終止值及越界等，所以不易出錯

2、ArrayList遍歷方式結(jié)果分析

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、五種遍歷方式快于前三種，get方式優(yōu)于Iterator方式，并且

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(yōu)。我們看看ArrayList中迭代器Iterator和get方法的實(shí)現(xiàn)

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(shù)同樣通過直接定位數(shù)據(jù)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(yōu)點(diǎn)，我們大可選用foreach這種簡便方式進(jìn)行遍歷。

3、LinkedList遍歷方式結(jié)果分析

a. 在LinkedList大小接近一萬時，get方式和Iterator方式就已經(jīng)差了差不多兩個數(shù)量級，十萬時Iterator方式性能已經(jīng)遠(yuǎn)勝于get方式。

我們看看LinkedList中迭代器和get方法的實(shí)現(xiàn)

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(shù)只是通過next指針快速得到下一個元素并返回。而get方法會從頭遍歷直到index下標(biāo)，查找一個元素時間復(fù)雜度為哦O(n)，遍歷的時間復(fù)雜度就達(dá)到了O(n2)。

所以對于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(jié)果對比分析

從上面的數(shù)量級來看，同樣是foreach循環(huán)遍歷，ArrayList和LinkedList時間差不多，可將本例稍作修改加大list size會發(fā)現(xiàn)兩者基本在一個數(shù)量級上。

但ArrayList get函數(shù)直接定位獲取的方式時間復(fù)雜度為O(1)，而LinkedList的get函數(shù)時間復(fù)雜度為O(n)。

再結(jié)合考慮空間消耗的話，建議首選ArrayList。對于個別插入刪除非常多的可以使用LinkedList。

結(jié)論總結(jié)

通過上面的分析我們基本可以總結(jié)下：