Java遍历集合的几种方法分析（实现原理、算法性能、适用场合）

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:
       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的字节码：

    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。
}