高效遍历Java容器

Java 程序员经常使用容器，比方 ArrayList 和 HashSet。Java 8 中的 lambda 语法和 steaming API 可以让我们更方便的使用容器。大部分情况下，我们仅仅解决几千个元素，也不会去考虑性能问题。但是，在少量极端场景下，假如我们需要遍历上百万个元素，性能问题就凸显出来了。

本文将采用 JMH 计算每块代码的运行时间。

forEach vs. C Style vs. Stream API

遍历是一个基本的功能。所有编程语言都提供了简单的语法，让程序员去遍历容器。Steam API 以一种非常直接的形式来遍历容器。

publicList?streamSingleThread(BenchMarkState state){

List?result =newArrayList<>(state.testData.size());

state.testData.stream().forEach(item -> {

result.add(item);

});

returnresult;

}

publicList?streamMultiThread(BenchMarkState state){

List?result =newArrayList<>(state.testData.size());

state.testData.stream().parallel().forEach(item -> {

result.add(item);

});

returnresult;

}

forEach 循环也很简单：

publicListforEach(BenchMarkState state){

List?result =newArrayList<>(state.testData.size());

for(Integer item : state.testData){

result.add(item);

}

returnresult;

}

C 语言形式的 for 循环啰嗦少量，不过仍然很紧凑：

publicListforCStyle(BenchMarkState state){

intsize = state.testData.size();

List?result =newArrayList<>(size);

for(intj =0; j < size; j ++){

result.add(state.testData.get(j));

}

returnresult;

}

以下是性能报告：

Benchmark Mode ?Cnt ? Score ? Error ?Units

TestLoopPerformance.forCStyle avgt20018.068±0.074ms/op

TestLoopPerformance.forEach?avgt20030.566±0.165ms/op

TestLoopPerformance.streamMultiThread ? avgt20079.433±0.747ms/op

TestLoopPerformance.streamSingleThread ?avgt20037.779±0.485ms/op

使用 C 语言形式的 for 循环，JVM 每次仅仅添加一个数字，而后直接从内存里读出数据。这使得它非常迅速。但是 forEach 就大不一样，根据 StackOverFlow 的这篇答复

（https://stackoverflow.com/questions/85190/how-does-the-java-for-each-loop-work/85206#85206），

和 Oracle 的文章

（https://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/language/foreach.html），

JVM 需要把 forEach 转换成一个 iterator，而后每个元素都调用一次 hasNext() 方法。这就是 forEach 比 C 语言的形式慢少量的起因。

哪一个是遍历 Set 最高效的方法呢？

我们先定义测试数据集：

@State(Scope.Benchmark)

publicstaticclassBenchMarkState{

@Setup(Level.Trial)

publicvoiddoSetup(){

for(inti =0; i <500000; i++){

testData.add(Integer.valueOf(i));

}

}

@TearDown(Level.Trial)

publicvoiddoTearDown(){

testData =newHashSet<>(500000);

}

publicSet?testData =newHashSet<>(500000);

}

Java 中的 Set 也支持 Steam API 和 forEach 循环。参考之前的测试，假如我们把 Set 转换成 ArrayList，而后遍历 ArrayList，或者许性能会好少量？

publicListforCStyle(BenchMarkState state){

intsize = state.testData.size();

List?result =newArrayList<>(size);

Integer[] temp = (Integer[]) state.testData.toArray(newInteger[size]);

for(intj =0; j < size; j ++){

result.add(temp[j]);

}

returnresult;

}

假如把 iterator 和 C 语言形式结合起来呢？

publicListforCStyleWithIteration(BenchMarkState state){

intsize = state.testData.size();

List?result =newArrayList<>(size);

Iterator?iteration = state.testData.iterator();

for(intj =0; j < size; j ++){

result.add(iteration.next());

}

returnresult;

}

或者者，简单的遍历怎样样？

publicListforEach(BenchMarkState state){

List?result =newArrayList<>(state.testData.size());

for(Integer item : state.testData) {

result.add(item);

}

returnresult;

}

这个主意不错，不过它的效率也不高，由于初始化一个新的 ArrayList 同样需要消耗资源。

Benchmark ? ? Mode ?Cnt ?Score ? Error ?Units

TestLoopPerformance.forCStyle ? ? avgt2006.013±0.108ms/op

TestLoopPerformance.forCStyleWithIteration ?avgt2004.281±0.049ms/op

TestLoopPerformance.forEach?avgt2004.498±0.026ms/op

HashMap (使用 HashMap?的 HashSet) 不是为遍历所有元素设计的。遍历一个 HashMap 最快的方法是把 Iterator 和 C 语言形式结合起来，这样 JVM 就不会去调用 hasNext()。

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