（转）ArrayList和LinkedList的几种循环遍历方式及性能对比分析

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。 
相关：HashMap循环遍历方式及其性能对比

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

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);
}

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。

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： 
 
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

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();
}

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：

package java.lang;

import java.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
 */
public interface Iterable<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：

public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();

    E next();

    void remove();
}

(2) ArrayList遍历方式结果分析 
 
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

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 
 
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

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。

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。

转自：http://www.trinea.cn/android/arraylist-linkedlist-loop-performance/