专栏首页微信公众号:Java团长Java遍历集合的几种方法分析(实现原理、算法性能、适用场合)

Java遍历集合的几种方法分析(实现原理、算法性能、适用场合)

概述

Java语言中,提供了一套数据集合框架,其中定义了一些诸如List、Set等抽象数据类型,每个抽象数据类型的各个具体实现,底层又采用了不同的实现方式,比如ArrayList和LinkedList。

除此之外,Java对于数据集合的遍历,也提供了几种不同的方式。开发人员必须要清楚的明白每一种遍历方式的特点、适用场合、以及在不同底层实现上的表现。下面就详细分析一下这一块内容。

数据元素是怎样在内存中存放的?

数据元素在内存中,主要有2种存储方式:

1、顺序存储,Random Access(Direct Access):

这种方式,相邻的数据元素存放于相邻的内存地址中,整块内存地址是连续的。可以根据元素的位置直接计算出内存地址,直接进行读取。读取一个特定位置元素的平均时间复杂度为O(1)。正常来说,只有基于数组实现的集合,才有这种特性。Java中以ArrayList为代表。

2、链式存储,Sequential Access:

这种方式,每一个数据元素,在内存中都不要求处于相邻的位置,每个数据元素包含它下一个元素的内存地址。不可以根据元素的位置直接计算出内存地址,只能按顺序读取元素。读取一个特定位置元素的平均时间复杂度为O(n)。主要以链表为代表。Java中以LinkedList为代表。

Java中提供的遍历方式有哪些?

1、传统的for循环遍历,基于计数器的:

遍历者自己在集合外部维护一个计数器,然后依次读取每一个位置的元素,当读取到最后一个元素后,停止。主要就是需要按元素的位置来读取元素。这也是最原始的集合遍历方法。

写法为:

2、迭代器遍历,Iterator:

Iterator本来是OO的一个设计模式,主要目的就是屏蔽不同数据集合的特点,统一遍历集合的接口。Java作为一个OO语言,自然也在Collections中支持了Iterator模式。

写法为:

3、foreach循环遍历:

屏蔽了显式声明的Iterator和计数器。

优点:代码简洁,不易出错。

缺点:只能做简单的遍历,不能在遍历过程中操作(删除、替换)数据集合。

写法为:

每个遍历方法的实现原理是什么?

1、传统的for循环遍历,基于计数器的:

遍历者自己在集合外部维护一个计数器,然后依次读取每一个位置的元素,当读取到最后一个元素后,停止。主要就是需要按元素的位置来读取元素。

2、迭代器遍历,Iterator:

每一个具体实现的数据集合,一般都需要提供相应的Iterator。相比于传统for循环,Iterator取缔了显式的遍历计数器。所以基于顺序存储集合的Iterator可以直接按位置访问数据。而基于链式存储集合的Iterator,正常的实现,都是需要保存当前遍历的位置。然后根据当前位置来向前或者向后移动指针。

3、foreach循环遍历:

根据反编译的字节码可以发现,foreach内部也是采用了Iterator的方式实现,只不过Java编译器帮我们生成了这些代码。

各遍历方式对于不同的存储方式,性能如何?

1、传统的for循环遍历,基于计数器的:

因为是基于元素的位置,按位置读取。所以我们可以知道,对于顺序存储,因为读取特定位置元素的平均时间复杂度是O(1),所以遍历整个集合的平均时间复杂度为O(n)。而对于链式存储,因为读取特定位置元素的平均时间复杂度是O(n),所以遍历整个集合的平均时间复杂度为O(n2)(n的平方)。

ArrayList按位置读取的代码:直接按元素位置读取。

LinkedList按位置读取的代码:每次都需要从第0个元素开始向后读取。其实它内部也做了小小的优化。

transient int size = 0;transient Node<E> first;transient Node<E> last;public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);    return node(index).item;
}

Node<E> node(int index) {    if (index < (size >> 1)) {   //查询位置在链表前半部分,从链表头开始查找
        Node<E> x = first;        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;        return x;
    } else {                     //查询位置在链表后半部分,从链表尾开始查找
        Node<E> x = last;        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;        return x;
    }
}

2、迭代器遍历,Iterator:

那么对于RandomAccess类型的集合来说,没有太多意义,反而因为一些额外的操作,还会增加额外的运行时间。但是对于Sequential Access的集合来说,就有很重大的意义了,因为Iterator内部维护了当前遍历的位置,所以每次遍历,读取下一个位置并不需要从集合的第一个元素开始查找,只要把指针向后移一位就行了,这样一来,遍历整个集合的时间复杂度就降低为O(n);

(这里只用LinkedList做例子)LinkedList的迭代器,内部实现,就是维护当前遍历的位置,然后操作指针移动就可以了:

代码:

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

    lastReturned = next;
    next = next.next;
    nextIndex++;    return lastReturned.item;
}public E previous() {
    checkForComodification();    if (!hasPrevious())        throw new NoSuchElementException();

    lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
    nextIndex--;    return lastReturned.item;
}

3、foreach循环遍历:

分析Java字节码可知,foreach内部实现原理,也是通过Iterator实现的,只不过这个Iterator是Java编译器帮我们生成的,所以我们不需要再手动去编写。但是因为每次都要做类型转换检查,所以花费的时间比Iterator略长。时间复杂度和Iterator一样。

使用Iterator的字节码:

    Code:       0: new           #16                 // class java/util/ArrayList
       3: dup       4: invokespecial #18                 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
       7: astore_1       8: aload_1       9: invokeinterface #19,  1           // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;
      14: astore_2      15: goto          25
      18: aload_2      19: invokeinterface #25,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;
      24: pop      25: aload_2      26: invokeinterface #31,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z
      31: ifne          18
      34: return

使用foreach的字节码:

    Code:       0: new           #16                 // class java/util/ArrayList
       3: dup       4: invokespecial #18                 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
       7: astore_1       8: aload_1       9: invokeinterface #19,  1           // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;
      14: astore_3      15: goto          28
      18: aload_3      19: invokeinterface #25,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;
      24: checkcast     #31                 // class loop/Model
      27: astore_2      28: aload_3      29: invokeinterface #33,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z
      34: ifne          18
      37: return

各遍历方式的适用于什么场合?

1、传统的for循环遍历,基于计数器的:

顺序存储:读取性能比较高。适用于遍历顺序存储集合。

链式存储:时间复杂度太大,不适用于遍历链式存储的集合。

2、迭代器遍历,Iterator:

顺序存储:如果不是太在意时间,推荐选择此方式,毕竟代码更加简洁,也防止了Off-By-One的问题。

链式存储:意义就重大了,平均时间复杂度降为O(n),还是挺诱人的,所以推荐此种遍历方式。

3、foreach循环遍历:

foreach只是让代码更加简洁了,但是他有一些缺点,就是遍历过程中不能操作数据集合(删除等),所以有些场合不使用。而且它本身就是基于Iterator实现的,但是由于类型转换的问题,所以会比直接使用Iterator慢一点,但是还好,时间复杂度都是一样的。所以怎么选择,参考上面两种方式,做一个折中的选择。

Java的最佳实践是什么?

Java数据集合框架中,提供了一个RandomAccess接口,该接口没有方法,只是一个标记。通常被List接口的实现使用,用来标记该List的实现是否支持Random Access。

一个数据集合实现了该接口,就意味着它支持Random Access,按位置读取元素的平均时间复杂度为O(1)。比如ArrayList。

而没有实现该接口的,就表示不支持Random Access。比如LinkedList。

所以看来JDK开发者也是注意到这个问题的,那么推荐的做法就是,如果想要遍历一个List,那么先判断是否支持Random Access,也就是 list instanceof RandomAccess。

比如:

本文分享自微信公众号 - Java团长(javatuanzhang)

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原始发表时间:2017-05-03

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