Java中ArrayList和LinkedList的遍历与性能分析

前言

通过本文你可以了解List的五种遍历方式及各自性能和foreach及Iterator的实现，加深对ArrayList和LinkedList实现的了解。下面来一起看看吧。

一、List的五种遍历方式

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();
}

或

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);
}

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 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。

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();
}

foreach代码书写简单，不必关心下标初始值和终止值及越界等，所以不易出错

2、ArrayList遍历方式结果分析

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

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。

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。

总结