Java遍历集合方法分析（实现原理、算法性能、适用场合）
Java遍历集合方法分析（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.sctBUGwsRFize(); 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 first;
transient Node last;
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;}
Node 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 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 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."ctBUGwsRF":()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."":()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！