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。}

原标题：Java遍历集合的几种方法分析（实现原理、算法性能、适用场合）

关键词：JAVA