Java遍历集合方法分析(实现原理、算法性能、适用场合)


Posted in Javascript onApril 25, 2016

概述

Java语言中,提供了一套数据集合框架,其中定义了一些诸如List、Set等抽象数据类型,每个抽象数据类型的各个具体实现,底层又采用了不同的实现方式,比如ArrayList和LinkedList。

除此之外,Java对于数据集合的遍历,也提供了几种不同的方式。开发人员必须要清楚的明白每一种遍历方式的特点、适用场合、以及在不同底层实现上的表现。下面就详细分析一下这一块内容。

数据元素是怎样在内存中存放的?

数据元素在内存中,主要有2种存储方式:

1、顺序存储,Random Access(Direct Access):

这种方式,相邻的数据元素存放于相邻的内存地址中,整块内存地址是连续的。可以根据元素的位置直接计算出内存地址,直接进行读取。读取一个特定位置元素的平均时间复杂度为O(1)。正常来说,只有基于数组实现的集合,才有这种特性。Java中以ArrayList为代表。

2、链式存储,Sequential Access:

这种方式,每一个数据元素,在内存中都不要求处于相邻的位置,每个数据元素包含它下一个元素的内存地址。不可以根据元素的位置直接计算出内存地址,只能按顺序读取元素。读取一个特定位置元素的平均时间复杂度为O(n)。主要以链表为代表。

Java中以LinkedList为代表。

Java中提供的遍历方式有哪些?

1、传统的for循环遍历,基于计数器的:

遍历者自己在集合外部维护一个计数器,然后依次读取每一个位置的元素,当读取到最后一个元素后,停止。主要就是需要按元素的位置来读取元素。这也是最原始的集合遍历方法。

写法为:

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

2、迭代器遍历,Iterator:

Iterator本来是OO的一个设计模式,主要目的就是屏蔽不同数据集合的特点,统一遍历集合的接口。Java作为一个OO语言,自然也在Collections中支持了Iterator模式。

写法为:

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

3、foreach循环遍历:

屏蔽了显式声明的Iterator和计数器。

优点:代码简洁,不易出错。

缺点:只能做简单的遍历,不能在遍历过程中操作(删除、替换)数据集合。

写法为:

for (ElementType element : list) {
}

每个遍历方法的实现原理是什么?

1、传统的for循环遍历,基于计数器的:

遍历者自己在集合外部维护一个计数器,然后依次读取每一个位置的元素,当读取到最后一个元素后,停止。主要就是需要按元素的位置来读取元素。

2、迭代器遍历,Iterator:

每一个具体实现的数据集合,一般都需要提供相应的Iterator。相比于传统for循环,Iterator取缔了显式的遍历计数器。所以基于顺序存储集合的Iterator可以直接按位置访问数据。而基于链式存储集合的Iterator,正常的实现,都是需要保存当前遍历的位置。然后根据当前位置来向前或者向后移动指针。

3、foreach循环遍历:

根据反编译的字节码可以发现,foreach内部也是采用了Iterator的方式实现,只不过Java编译器帮我们生成了这些代码。

各遍历方式对于不同的存储方式,性能如何?

1、传统的for循环遍历,基于计数器的:

因为是基于元素的位置,按位置读取。所以我们可以知道,对于顺序存储,因为读取特定位置元素的平均时间复杂度是O(1),所以遍历整个集合的平均时间复杂度为O(n)。而对于链式存储,因为读取特定位置元素的平均时间复杂度是O(n),所以遍历整个集合的平均时间复杂度为O(n2)(n的平方)。

ArrayList按位置读取的代码:直接按元素位置读取。

transient Object[] elementData;
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
}

LinkedList按位置读取的代码:每次都需要从第0个元素开始向后读取。其实它内部也做了小小的优化。

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)) { //查询位置在链表前半部分,从链表头开始查找
Node<E> x = first;
for (int i = 0; i < index; i++)
x = x.next;
return x;
} else { //查询位置在链表后半部分,从链表尾开始查找
Node<E> x = last;
for (int i = size - 1; i > index; i--)
x = x.prev;
return x;
}
}

2、迭代器遍历,Iterator:

那么对于RandomAccess类型的集合来说,没有太多意义,反而因为一些额外的操作,还会增加额外的运行时间。但是对于Sequential Access的集合来说,就有很重大的意义了,因为Iterator内部维护了当前遍历的位置,所以每次遍历,读取下一个位置并不需要从集合的第一个元素开始查找,只要把指针向后移一位就行了,这样一来,遍历整个集合的时间复杂度就降低为O(n);

(这里只用LinkedList做例子)LinkedList的迭代器,内部实现,就是维护当前遍历的位置,然后操作指针移动就可以了:

代码:

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;
}

3、foreach循环遍历:

分析Java字节码可知,foreach内部实现原理,也是通过Iterator实现的,只不过这个Iterator是Java编译器帮我们生成的,所以我们不需要再手动去编写。但是因为每次都要做类型转换检查,所以花费的时间比Iterator略长。时间复杂度和Iterator一样。

使用Iterator的字节码:

Code:
new # // class java/util/ArrayList
dup
invokespecial # // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
astore_
aload_
invokeinterface #, // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;
astore_
goto 
aload_
invokeinterface #, // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;
pop
aload_
invokeinterface #, // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z
ifne 
return

使用foreach的字节码:

Code:
new # // class java/util/ArrayList
dup
invokespecial # // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
astore_
aload_
invokeinterface #, // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;
astore_
goto 
aload_
invokeinterface #, // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;
checkcast # // class loop/Model
astore_
aload_
invokeinterface #, // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z
ifne 
return

各遍历方式的适用于什么场合?

1、传统的for循环遍历,基于计数器的:

顺序存储:读取性能比较高。适用于遍历顺序存储集合。

链式存储:时间复杂度太大,不适用于遍历链式存储的集合。

2、迭代器遍历,Iterator:

顺序存储:如果不是太在意时间,推荐选择此方式,毕竟代码更加简洁,也防止了Off-By-One的问题。

链式存储:意义就重大了,平均时间复杂度降为O(n),还是挺诱人的,所以推荐此种遍历方式。

3、foreach循环遍历:

foreach只是让代码更加简洁了,但是他有一些缺点,就是遍历过程中不能操作数据集合(删除等),所以有些场合不使用。而且它本身就是基于Iterator实现的,但是由于类型转换的问题,所以会比直接使用Iterator慢一点,但是还好,时间复杂度都是一样的。所以怎么选择,参考上面两种方式,做一个折中的选择。

Java的最佳实践是什么?

Java数据集合框架中,提供了一个RandomAccess接口,该接口没有方法,只是一个标记。通常被List接口的实现使用,用来标记该List的实现是否支持Random Access。

一个数据集合实现了该接口,就意味着它支持Random Access,按位置读取元素的平均时间复杂度为O(1)。比如ArrayList。

而没有实现该接口的,就表示不支持Random Access。比如LinkedList。

所以看来JDK开发者也是注意到这个问题的,那么推荐的做法就是,如果想要遍历一个List,那么先判断是否支持Random Access,也就是 list instanceof RandomAccess。

比如:

if (list instanceof RandomAccess) {
//使用传统的for循环遍历。
} else {
//使用Iterator或者foreach。
}

以上所述是小编给大家介绍的Java遍历集合方法分析(实现原理、算法性能、适用场合),希望对大家有所帮助!

Javascript 相关文章推荐
javascript日期转换 时间戳转日期格式
Nov 05 Javascript
javascript中直接写php代码的方法
Jul 31 Javascript
js数组方法扩展实现数组统计函数
Apr 09 Javascript
Node.js实现简单聊天服务器
Jun 20 Javascript
动态载入js提高网页打开速度的方法
Jul 04 Javascript
javascript版2048小游戏
Mar 18 Javascript
javascript作用域、作用域链(菜鸟必看)
Jun 16 Javascript
js实现年月日表单三级联动
Apr 17 Javascript
jQuery实现点击关注和取消功能
Jul 03 jQuery
D3.js实现简洁实用的动态仪表盘的示例
Apr 04 Javascript
Vue项目中跨域问题解决方案
Jun 05 Javascript
Openlayers绘制地图标注
Sep 28 Javascript
下雪了 javascript实现雪花飞舞
Aug 02 #Javascript
基于node实现websocket协议
Apr 25 #Javascript
Bootstrap每天必学之导航组件
Apr 25 #Javascript
JavaScript常用字符串与数组扩展函数小结
Apr 24 #Javascript
javascript断点调试心得分享
Apr 23 #Javascript
基于 Node.js 实现前后端分离
Apr 23 #Javascript
javascript学习指南之回调问题
Apr 23 #Javascript
You might like
PHP5.5迭代生成器用法实例详解
2016/03/16 PHP
PHP实现微信JS-SDK接口选择相册及拍照并上传的方法
2016/12/05 PHP
JS 自动安装exe程序
2008/11/30 Javascript
jQuery EasyUI API 中文文档 - EasyLoader 加载器
2011/09/29 Javascript
浏览器兼容console对象的简要解决方案分享
2013/10/24 Javascript
javascript中文本框中输入法切换的问题
2013/12/10 Javascript
jquery.Ajax()方法调用Asp.Net后台的方法解析
2014/02/13 Javascript
采用自执行的匿名函数解决for循环使用闭包的问题
2014/09/11 Javascript
easyui Draggable组件实现拖动效果
2015/08/19 Javascript
Actionscript与javascript交互实例程序(修改)
2016/09/22 Javascript
微信小程序实现tab和swiper切换结合效果
2020/07/17 Javascript
Rollup处理并打包JS文件项目实例代码
2018/05/31 Javascript
vue watch关于对象内的属性监听
2019/04/22 Javascript
详解小程序input框失焦事件在提交事件前的处理
2019/05/05 Javascript
vue选项卡切换登录方式小案例
2019/09/27 Javascript
小程序中的箭头函数的具体使用
2020/06/19 Javascript
Python输出汉字字库及将文字转换为图片的方法
2016/06/04 Python
python多线程之事件Event的使用详解
2018/04/27 Python
python代码过长的换行方法
2018/07/19 Python
正确理解Python中if __name__ == '__main__'
2019/01/24 Python
Django中使用CORS实现跨域请求过程解析
2019/08/05 Python
复化梯形求积分实例——用Python进行数值计算
2019/11/20 Python
python中图像通道分离与合并实例
2020/01/17 Python
浅谈多卡服务器下隐藏部分 GPU 和 TensorFlow 的显存使用设置
2020/06/30 Python
详解pycharm连接远程linux服务器的虚拟环境的方法
2020/11/13 Python
matplotlib源码解析标题实现(窗口标题,标题,子图标题不同之间的差异)
2021/02/22 Python
美国伊甸园兄弟种子公司:Eden Brothers
2018/07/01 全球购物
大学生自我鉴定
2013/12/16 职场文书
三年大学自我鉴定
2014/01/16 职场文书
《问银河》教学反思
2014/02/19 职场文书
青春无悔演讲稿
2014/05/08 职场文书
学生会竞选演讲稿怎么写
2014/08/26 职场文书
2014年客户经理工作总结
2014/11/20 职场文书
工作态度恶劣检讨书
2015/05/06 职场文书
烈士陵园观后感
2015/06/08 职场文书
2019中小学生安全过暑期倡议书
2019/06/24 职场文书