Java遍歷集合的幾種方法分析（實現原理、算法性能、適用場合）

概述

        Java語言中，提供了一套數據集合框架，其中定義了一些諸如List、Set等抽象數據類型，每一個抽象數據類型的各個具體實現，底層又採用了不一樣的實現方式，好比ArrayList和LinkedList。

        除此以外，Java對於數據集合的遍歷，也提供了幾種不一樣的方式。開發人員必需要清楚的明白每一種遍歷方式的特色、適用場合、以及在不一樣底層實現上的表現。下面就詳細分析一下這一塊內容。

 

 

 

數據元素是怎樣在內存中存放的？

        數據元素在內存中，主要有2種存儲方式：

一、順序存儲，Random Access（Direct Access）：

        這種方式，相鄰的數據元素存放於相鄰的內存地址中，整塊內存地址是連續的。能夠根據元素的位置直接計算出內存地址，直接進行讀取。讀取一個特定位置元素的平均時間複雜度爲O(1)。正常來講，只有基於數組實現的集合，纔有這種特性。Java中以ArrayList爲表明。

二、鏈式存儲，Sequential Access：

        這種方式，每個數據元素，在內存中都不要求處於相鄰的位置，每一個數據元素包含它下一個元素的內存地址。不能夠根據元素的位置直接計算出內存地址，只能按順序讀取元素。讀取一個特定位置元素的平均時間複雜度爲O(n)。主要以鏈表爲表明。Java中以LinkedList爲表明。

 

 

 

Java中提供的遍歷方式有哪些？

 

一、傳統的for循環遍歷，基於計數器的：

        遍歷者本身在集合外部維護一個計數器，而後依次讀取每個位置的元素，當讀取到最後一個元素後，中止。主要就是須要按元素的位置來讀取元素。這也是最原始的集合遍歷方法。

寫法爲：

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    list.get(i);
}

 

二、迭代器遍歷，Iterator：

        Iterator原本是OO的一個設計模式，主要目的就是屏蔽不一樣數據集合的特色，統一遍歷集合的接口。Java做爲一個OO語言，天然也在Collections中支持了Iterator模式。

寫法爲：

Iterator iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    iterator.next();
}

 

三、foreach循環遍歷：

        屏蔽了顯式聲明的Iterator和計數器。

        優勢：代碼簡潔，不易出錯。

        缺點：只能作簡單的遍歷，不能在遍歷過程當中操做（刪除、替換）數據集合。

寫法爲：

for (ElementType element : list) {
}

 

 

 

每一個遍歷方法的實現原理是什麼？

 

一、傳統的for循環遍歷，基於計數器的：

        遍歷者本身在集合外部維護一個計數器，而後依次讀取每個位置的元素，當讀取到最後一個元素後，中止。主要就是須要按元素的位置來讀取元素。

 

二、迭代器遍歷，Iterator：

        每個具體實現的數據集合，通常都須要提供相應的Iterator。相比於傳統for循環，Iterator取締了顯式的遍歷計數器。因此基於順序存儲集合的Iterator能夠直接按位置訪問數據。而基於鏈式存儲集合的Iterator，正常的實現，都是須要保存當前遍歷的位置。而後根據當前位置來向前或者向後移動指針。

 

三、foreach循環遍歷：

        根據反編譯的字節碼能夠發現，foreach內部也是採用了Iterator的方式實現，只不過Java編譯器幫咱們生成了這些代碼。

 

 

 

 

各遍歷方式對於不一樣的存儲方式，性能如何？

 

一、傳統的for循環遍歷，基於計數器的：

        由於是基於元素的位置，按位置讀取。因此咱們能夠知道，對於順序存儲，由於讀取特定位置元素的平均時間複雜度是O(1)，因此遍歷整個集合的平均時間複雜度爲O(n)。而對於鏈式存儲，由於讀取特定位置元素的平均時間複雜度是O(n)，因此遍歷整個集合的平均時間複雜度爲O(n2)（n的平方）。

ArrayList按位置讀取的代碼：直接按元素位置讀取。

transient Object[] elementData;

public E get(int index) {
    rangeCheck(index);
    return elementData(index);
}

E elementData(int index) {
    return (E) elementData[index];
}

 

LinkedList按位置讀取的代碼：每次都須要從第0個元素開始向後讀取。其實它內部也作了小小的優化。

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)) {   //查詢位置在鏈表前半部分，從鏈表頭開始查找
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {                     //查詢位置在鏈表後半部分，從鏈表尾開始查找
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

 

 

二、迭代器遍歷，Iterator：

        那麼對於RandomAccess類型的集合來講，沒有太多意義，反而由於一些額外的操做，還會增長額外的運行時間。可是對於Sequential Access的集合來講，就有很重大的意義了，由於Iterator內部維護了當前遍歷的位置，因此每次遍歷，讀取下一個位置並不須要從集合的第一個元素開始查找，只要把指針向後移一位就好了，這樣一來，遍歷整個集合的時間複雜度就下降爲O(n)；

        （這裏只用LinkedList作例子）LinkedList的迭代器，內部實現，就是維護當前遍歷的位置，而後操做指針移動就能夠了：

代碼：

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;
}

 

 

三、foreach循環遍歷：

        分析Java字節碼可知，foreach內部實現原理，也是經過Iterator實現的，只不過這個Iterator是Java編譯器幫咱們生成的，因此咱們不須要再手動去編寫。可是由於每次都要作類型轉換檢查，因此花費的時間比Iterator略長。時間複雜度和Iterator同樣。

使用Iterator的字節碼：

    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的字節碼：

    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

 

 

 

 

 

各遍歷方式的適用於什麼場合？

 

一、傳統的for循環遍歷，基於計數器的：

        順序存儲：讀取性能比較高。適用於遍歷順序存儲集合。

        鏈式存儲：時間複雜度太大，不適用於遍歷鏈式存儲的集合。

二、迭代器遍歷，Iterator：

        順序存儲：若是不是太在乎時間，推薦選擇此方式，畢竟代碼更加簡潔，也防止了Off-By-One的問題。

        鏈式存儲：意義就重大了，平均時間複雜度降爲O(n)，仍是挺誘人的，因此推薦此種遍歷方式。

三、foreach循環遍歷：

        foreach只是讓代碼更加簡潔了，可是他有一些缺點，就是遍歷過程當中不能操做數據集合（刪除等），因此有些場合不使用。並且它自己就是基於Iterator實現的，可是因爲類型轉換的問題，因此會比直接使用Iterator慢一點，可是還好，時間複雜度都是同樣的。因此怎麼選擇，參考上面兩種方式，作一個折中的選擇。

 

 

 

 

Java的最佳實踐是什麼？

        Java數據集合框架中，提供了一個RandomAccess接口，該接口沒有方法，只是一個標記。一般被List接口的實現使用，用來標記該List的實現是否支持Random Access。

        一個數據集合實現了該接口，就意味着它支持Random Access，按位置讀取元素的平均時間複雜度爲O(1)。好比ArrayList。

        而沒有實現該接口的，就表示不支持Random Access。好比LinkedList。

        因此看來JDK開發者也是注意到這個問題的，那麼推薦的作法就是，若是想要遍歷一個List，那麼先判斷是否支持Random Access，也就是 list instanceof RandomAccess。

好比：

if (list instanceof RandomAccess) {
    //使用傳統的for循環遍歷。
} else {
    //使用Iterator或者foreach。
}