Analysis of Java collection traversal method (implementation principle, algorithm performance, applicable occasions)_javascript skills

概述

Java語言中，提供了一套資料集合框架，其中定義了一些諸如List、Set等抽象資料類型，每個抽象資料類型的各個具體實現，底層又採用了不同的實現方式，例如ArrayList和LinkedList。

除此之外，Java對於資料集合的遍歷，也提供了幾種不同的方式。開發人員必須要清楚的明白每一種遍歷方式的特性、適用場合、以及在不同底層實現上的表現。下面就詳細分析一下這一塊內容。

資料元素是如何在記憶體中存放的？

資料元素在記憶體中，主要有2種儲存方式：

1、順序存儲，Random Access（Direct Access）：

這種方式，相鄰的資料元素存放在相鄰的記憶體位址中，整塊記憶體位址是連續的。可以根據元素的位置直接計算出記憶體位址，直接進行讀取。讀取一個特定位置元素的平均時間複雜度為O(1)。正常來說，只有基於數組實現的集合，才有這種特性。 Java中以ArrayList為代表。

2、鍊式存儲，Sequential Access：

這種方式，每一個資料元素，在記憶體中都不要求處於相鄰的位置，每個資料元素包含它下一個元素的記憶體位址。不可以根據元素的位置直接計算記憶體位址，只能依序讀取元素。讀取一個特定位置元素的平均時間複雜度為O(n)。主要以鍊錶為代表。

Java中以LinkedList為代表。

Java中提供的遍歷方式有哪些？

1、傳統的for迴圈遍歷，基於計數器的：

遍歷者自己在集合外部維護一個計數器，然後依序讀取每一個位置的元素，當讀取到最後一個元素後，停止。主要就是需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。

寫法為：

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

2、迭代器遍歷，Iterator：

Iterator本來是OO的一個設計模式，主要目的就是屏蔽不同資料集合的特點，統一遍歷集合的介面。 Java作為一個OO語言，自然也在Collections中支援了Iterator模式。

寫法為：

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

3、foreach循環遍歷：

封鎖了明確聲明的Iterator和計數器。

優點：程式碼簡潔，不易出錯。

缺點：只能做簡單的遍歷，不能在遍歷過程中操作（刪除、替換）資料集合。

寫法為：

for (ElementType element : list) {
}

每個遍歷方法的實作原理是什麼？

1、傳統的for迴圈遍歷，基於計數器的：

遍歷者自己在集合外部維護一個計數器，然後依序讀取每一個位置的元素，當讀取到最後一個元素後，停止。主要就是需要按元素的位置來讀取元素。

2、迭代器遍歷，Iterator：

每一個具體實現的資料集合，一般都需要提供對應的Iterator。相較於傳統for循環，Iterator取締了明確的遍歷計數器。所以基於順序儲存集合的Iterator可以直接按位置存取資料。而基於鍊式儲存集合的Iterator，正常的實現，都是需要保存目前遍歷的位置。然後根據當前位置來向前或向後移動指針。

3、foreach循環遍歷：

根據反編譯的字節碼可以發現，foreach內部也是採用了Iterator的方式實現，只不過Java編譯器幫我們產生了這些程式碼。

各遍歷方式對於不同的儲存方式，效能如何？

1、傳統的for迴圈遍歷，基於計數器的：

因為是基於元素的位置，按位置讀取。所以我們可以知道，對於順序存儲，因為讀取特定位置元素的平均時間複雜度是O(1)，所以遍歷整個集合的平均時間複雜度為O(n)。而對於鍊式存儲，因為讀取特定位置元素的平均時間複雜度是O(n)，所以遍歷整個集合的平均時間複雜度為O(n2)（n的平方）。

ArrayList按位置讀取的程式碼：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：每次都需要從第0個元素開始向後讀取。其實它內部也做了小小的優化。

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！