ArrayList和LinkedList的几种循环遍历方式及性能对比分析

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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。

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

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

(2) 显示调用集合迭代器

Java

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

或

Java

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List<Integer>list=newArrayList<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

Java

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List<Integer>list=newArrayList<Integer>();
for(intj=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

Java

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List<Integer>list=newArrayList<Integer>();
intsize=list.size();
for(intj=0;j<size;j++){
list.get(j);
}

(5) 下标递减循环

Java

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List<Integer>list=newArrayList<Integer>();
for(intj=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。

ArrayList和LinkedList循环性能对比测试代码

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getArrayList函数会返回不同size的ArrayList，getLinkedList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，Eclipse -Xms512m -Xmx512m
最终测试结果如下：

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compare loop performance of ArrayList
--------------------------------------------------------------
list size             |10000   |100000  |1000000|10000000
--------------------------------------------------------------
foreach              |1ms    |3ms    |14ms   |154ms
--------------------------------------------------------------
foriterator          |0ms    |1ms    |12ms   |115ms
--------------------------------------------------------------
forlist.size()       |1ms    |1ms    |13ms   |128ms
--------------------------------------------------------------
forsize=list.size()|0ms    |1ms    |6ms    |62ms
--------------------------------------------------------------
forj--               |0ms    |1ms    |7ms    |62ms
--------------------------------------------------------------

compare loop performance of LinkedList
--------------------------------------------------------------
list size             |100     |1000    |10000   |100000
--------------------------------------------------------------
foreach              |0ms    |0ms    |1ms    |3ms
--------------------------------------------------------------
foriterator          |0ms    |0ms    |0ms    |2ms
--------------------------------------------------------------
forlist.size()       |0ms    |0ms    |71ms   |7841ms
--------------------------------------------------------------
forsize=list.size()|1ms    |0ms    |69ms   |7874ms
--------------------------------------------------------------
forj--               |0ms    |0ms    |68ms   |7664ms
--------------------------------------------------------------

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

Java

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Iterator<Integer>iterator=list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integerj=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：

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packagejava.lang;

importjava.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
*/
publicinterfaceIterable<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：

Java

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publicinterfaceIterator<E>{
    booleanhasNext();

    Enext();

    voidremove();
}

(2) ArrayList遍历方式结果分析

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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

Java

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intsize=list.size();
for(intj=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

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privateclassItrimplementsIterator<E>{
    intcursor;       // index of next element to return
    intlastRet=-1;// index of last element returned; -1 if no such
    intexpectedModCount=modCount;

    publicbooleanhasNext(){
        returncursor!=size;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    publicEnext(){
        checkForComodification();
        inti=cursor;
        if(i>=size)
            thrownewNoSuchElementException();
        Object[]elementData=ArrayList.this.elementData;
        if(i>=elementData.length)
            thrownewConcurrentModificationException();
        cursor=i+1;
        return(E)elementData[lastRet=i];
    }
    ……
}

publicEget(intindex){
    rangeCheck(index);

    returnelementData(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

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compare loop performance of LinkedList
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list size             |100     |1000    |10000   |100000
--------------------------------------------------------------
foreach              |0ms    |0ms    |1ms    |3ms
--------------------------------------------------------------
foriterator          |0ms    |0ms    |0ms    |2ms
--------------------------------------------------------------
forlist.size()       |0ms    |0ms    |71ms   |7841ms
--------------------------------------------------------------
forsize=list.size()|1ms    |0ms    |69ms   |7874ms
--------------------------------------------------------------
forj--               |0ms    |0ms    |68ms   |7664ms
--------------------------------------------------------------

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

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privateclassListItrimplementsListIterator<E>{
    privateNode<E>lastReturned=null;
    privateNode<E>next;
    privateintnextIndex;
    privateintexpectedModCount=modCount;

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

    publicbooleanhasNext(){
        returnnextIndex<size;
    }

    publicEnext(){
        checkForComodification();
        if(!hasNext())
            thrownewNoSuchElementException();

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

publicEget(intindex){
    checkElementIndex(index);
    returnnode(index).item;
}

/**
* Returns the (non-null) Node at the specified element index.
*/
Node<E>node(intindex){
    // assert isElementIndex(index);

    if(index<(size>>1)){
        Node<E>x=first;
        for(inti=0;i<index;i++)
            x=x.next;
        returnx;
    }else{
        Node<E>x=last;
        for(inti=size-1;i>index;i--)
            x=x.prev;
        returnx;
    }
}

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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