高效遍歷Java容器

經過本文，你能夠更深刻的學習 Java 語言中 forEach 語法的知識，以及它和 C 語言形式的 for 循環、 Steam API 的對比。

簡介

Java 程序員常常使用容器，好比 ArrayList 和 HashSet。Java 8 中的 lambda 語法和 steaming API 可讓咱們更方便的使用容器。大部分狀況下，咱們僅僅處理幾千個元素，也不會去考慮性能問題。可是，在一些極端場景下，若是咱們須要遍歷上百萬個元素，性能問題就凸顯出來了。

本文將採用 JMH 計算每塊代碼的運行時間。

forEach vs. C Style vs. Stream API

遍歷是一個基本的功能。全部編程語言都提供了簡單的語法，讓程序員去遍歷容器。Steam API 以一種很是直接的形式來遍歷容器。

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public List<Integer> streamSingleThread(BenchMarkState state){     List<Integer> result = new ArrayList<>(state.testData.size());     state.testData.stream().forEach(item -> {         result.add(item);     });     return result; } public List<Integer> streamMultiThread(BenchMarkState state){     List<Integer> result = new ArrayList<>(state.testData.size());     state.testData.stream().parallel().forEach(item -> {         result.add(item);     });     return result; }

forEach 循環也很簡單：

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public List<Integer> forEach(BenchMarkState state){   List<Integer> result = new ArrayList<>(state.testData.size());   for(Integer item : state.testData){     result.add(item);   }   return result; }

C 語言形式的 for 循環囉嗦一些，不過依然很緊湊：

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public List<Integer> forCStyle(BenchMarkState state){   int size = state.testData.size();   List<Integer> result = new ArrayList<>(size);   for(int j = 0; j < size; j ++){     result.add(state.testData.get(j));   }   return result; }

如下是性能報告：

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Benchmark                               Mode  Cnt   Score   Error  Units TestLoopPerformance.forCStyle           avgt  200  18.068 ± 0.074  ms/op TestLoopPerformance.forEach             avgt  200  30.566 ± 0.165  ms/op TestLoopPerformance.streamMultiThread   avgt  200  79.433 ± 0.747  ms/op TestLoopPerformance.streamSingleThread  avgt  200  37.779 ± 0.485  ms/op

使用 C 語言形式的 for 循環，JVM 每次僅僅增長一個數字，而後直接從內存裏讀出數據。這使得它很是迅速。可是 forEach 就大不同，JVM 須要把 forEach 轉換成一個 iterator，而後每一個元素都調用一次 hasNext() 方法。這就是 forEach 比 C 語言的形式慢一些的緣由。

哪個是遍歷 Set 最高效的方法呢？

咱們先定義測試數據集：

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@State(Scope.Benchmark) public static class BenchMarkState {     @Setup(Level.Trial)     public void doSetup() {         for(int i = 0; i < 500000; i++){             testData.add(Integer.valueOf(i));         }     }     @TearDown(Level.Trial)     public void doTearDown() {         testData = new HashSet<>(500000);     }     public Set<Integer> testData = new HashSet<>(500000); }

Java 中的 Set 也支持 Steam API 和 forEach 循環。參考以前的測試，若是咱們把 Set 轉換成 ArrayList，而後遍歷 ArrayList，或許性能會好一些？

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public List<Integer> forCStyle(BenchMarkState state){     int size = state.testData.size();     List<Integer> result = new ArrayList<>(size);     Integer[] temp = (Integer[]) state.testData.toArray(new Integer[size]);     for(int j = 0; j < size; j ++){         result.add(temp[j]);     }     return result; }

若是把 iterator 和 C 語言形式結合起來呢？

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public List<Integer> forCStyleWithIteration(BenchMarkState state){     int size = state.testData.size();     List<Integer> result = new ArrayList<>(size);     Iterator<Integer> iteration = state.testData.iterator();         for(int j = 0; j < size; j ++){             result.add(iteration.next());         }     return result; }

或者，簡單的遍歷怎麼樣？

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public List<Integer> forEach(BenchMarkState state){     List<Integer> result = new ArrayList<>(state.testData.size());     for(Integer item : state.testData) {         result.add(item);     }     return result; }

這個主意不錯，不過它的效率也不高，由於初始化一個新的 ArrayList 一樣須要消耗資源。

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Benchmark                                   Mode  Cnt  Score   Error  Units TestLoopPerformance.forCStyle               avgt  200  6.013 ± 0.108  ms/op TestLoopPerformance.forCStyleWithIteration  avgt  200  4.281 ± 0.049  ms/op TestLoopPerformance.forEach                 avgt  200  4.498 ± 0.026  ms/op

HashMap (使用 HashMap<E,Object> 的 HashSet) 不是爲遍歷全部元素設計的。遍歷一個 HashMap 最快的方法是把 Iterator 和 C 語言形式結合起來，這樣 JVM 就不會去調用 hasNext()。

結論

Foreach 和 Steam API 用來處理集合是很方便的。你能夠更快的寫代碼。不過，若是你的系統很穩定，性能是一個主要的考量，你應該考慮一下重寫你的循環。

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