HashMap 的 7 种遍历方式与性能分析
随着 JDK 1.8 Streams API 的发布，使得 HashMap 拥有了更多的遍历的方式，但应该选择那种遍历方式？反而成了一个问题。
本文先从 HashMap 的遍历方法讲起，然后再从性能、原理以及安全性等方面，来分析 HashMap 各种遍历方式的优势与不足，本文主要内容如下图所示：
HashMap遍历
HashMap遍历从大的方向来说，可分为以下4类：
-
迭代器（Iterator）方式遍历；
-
For Each方式遍历；
-
Lambda表达式遍历（JDK1.8+)
-
Streams API遍历（JDK1.8+)
但每种类型下又有不同的实现方式，因此具体的遍历方式又可以分为以下 7 种：
-
使用迭代器(Iterator)EntrySet的方式进行遍历；
-
使用迭代器（Iterator)KeySet的方式进行遍历；
-
使用 For Each EntrySet 的方式进行遍历；
-
使用 For Each KeySet 的方式进行遍历；
-
使用 Lambda 表达式的方式进行遍历；
-
使用 Streams API 单线程的方式进行遍历；
-
使用 Streams API 多线程的方式进行遍历。
迭代器EntrySet
public class HashMapTest{
public static void main(String[] args){
// 创建并赋值 HashMap
Map map = new HashMap();
map.put(1, "Java");
map.put(2, "JDK");
map.put(3, "Spring Framework");
map.put(4, "MyBatis framework");
map.put(5, "Java中文社群");
//遍历
Iterator> iterator = map.entrySet().iterator();
while(iterator.hasNext()){
Map.Entry entry = iterator.next();
System.out.println(entry.getKey());
System.out.println(entry.getValue());
}
}
} 以上程序的执行结果为：1 Java 2 JDK 3 Spring Framework 4 MyBatis framework 5 Java中文社群
迭代器 KeySet
public class HashMapTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建并赋值 HashMap
Map map = new HashMap();
map.put(1, "Java");
map.put(2, "JDK");
map.put(3, "Spring Framework");
map.put(4, "MyBatis framework");
map.put(5, "Java中文社群");
// 遍历
Iterator iterator = map.keySet().iterator();
while(iterator.hasNext()){
Integer key = iterator.next();
System.out.println(key);
System.out.println(map.get(key));
}
}
} 以上程序的执行结果为：1 Java 2 JDK 3 Spring Framework 4 MyBatis framework 5 Java中文社群
ForEach EntrySet
public class HashMapTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建并赋值 HashMap
Map map = new HashMap();
map.put(1, "Java");
map.put(2, "JDK");
map.put(3, "Spring Framework");
map.put(4, "MyBatis framework");
map.put(5, "Java中文社群");
// 遍历
for(Map.EntrySet entry: map.entrySet()){
System.out.print(entry.getKey());
System.out.print(entry.getValue());
}
}
} 以上程序的执行结果为：1 Java 2 JDK 3 Spring Framework 4 MyBatis framework 5 Java中文社群
ForEach KeySet
public class HashMapTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建并赋值 HashMap
Map map = new HashMap();
map.put(1, "Java");
map.put(2, "JDK");
map.put(3, "Spring Framework");
map.put(4, "MyBatis framework");
map.put(5, "Java中文社群");
// 遍历
for(Integer key: map.keySet()){
System.out.print(key);
System.out.print(map.get(key));
}
}
} 以上程序的执行结果为：1 Java 2 JDK 3 Spring Framework 4 MyBatis framework 5 Java中文社群
Lambda
public class HashMapTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建并赋值 HashMap
Map map = new HashMap();
map.put(1, "Java");
map.put(2, "JDK");
map.put(3, "Spring Framework");
map.put(4, "MyBatis framework");
map.put(5, "Java中文社群");
// 遍历
map.forEach((key, value)->{
System.out.print(key);
System.out.print(value);
});
}
} 以上程序的执行结果为：1 Java 2 JDK 3 Spring Framework 4 MyBatis framework 5 Java中文社群
Streams API 单线程
public class HashMapTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建并赋值 HashMap
Map map = new HashMap();
map.put(1, "Java");
map.put(2, "JDK");
map.put(3, "Spring Framework");
map.put(4, "MyBatis framework");
map.put(5, "Java中文社群");
// 遍历
map.forEach((key, value)->{
System.out.print(key);
System.out.print(value);
});
}
} 以上程序的执行结果为：1 Java 2 JDK 3 Spring Framework 4 MyBatis framework 5 Java中文社群
Streams API多线程
public class HashMapTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建并赋值 HashMap
Map map = new HashMap();
map.put(1, "Java");
map.put(2, "JDK");
map.put(3, "Spring Framework");
map.put(4, "MyBatis framework");
map.put(5, "Java中文社群");
// 遍历
map.forEach((key, value)->{
System.out.print(key);
System.out.print(value);
});
}
} 以上程序的执行结果为：4 MyBatis framework 5 Java中文社群 1 Java 2 JDK 3 Spring Framework
性能测试
接下来我们使用Oracle官方提供的性能测试工具JMH(Java Microbenchmark Harness, JAVA 微基准测试套件)来测试一下这 7 种循环的性能。
首先，我们先要引入JMH框架，在pom.xml文件中添加如下配置：
org.openjdk.jmh
jmh-core
1.23
org.openjdk.jmh
jmh-generator-annprocess
1.23
provided
然后编写测试代码，如下所示：
package com.example.hashmaptest;
import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* @author allycoding
* @Date: 2022/8/8 21:37
*/
@BenchmarkMode(Mode.Throughput)//测试类型：吞吐量
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
@Warmup(iterations = 2, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) //预热 2 轮，每次 1s
@Measurement(iterations = 5, time = 3, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) //测试5轮，每次3s
@Fork(1) //fork 1个线程
@State(Scope.Thread) //每个测试线程一个实例
public class HashMapCycle {
static Map map = new HashMap(){
{
// 添加数据
for(int i=0;i<10;i++){
this.put(i,"val:"+i);
}
}
};
public static void main(String[] args) throws RunnerException {
//启动基准测试
Options opt = new OptionsBuilder()
.include(HashMapCycle.class.getSimpleName()) //要导入的测试类
.output("./jmh-map.log") //输出测试结果的文件
.build();
new Runner(opt).run();//执行测试
}
@Benchmark
public void entrySet(){
//遍历
Iterator> iterator = map.entrySet().iterator();
while(iterator.hasNext()){
Map.Entry entry = iterator.next();
System.out.println(entry.getKey());
System.out.println(entry.getValue());
}
}
@Benchmark
public void keySet(){
//遍历
Iterator iterator = map.keySet().iterator();
while (iterator.hasNext()){
Integer key = iterator.next();
System.out.println(key);
System.out.println(map.get(key));
}
}
@Benchmark
public void forEachEntrySet(){
//遍历
for(Map.Entry entry: map.entrySet()){
System.out.println(entry.getKey());
System.out.println(entry.getValue());
}
}
@Benchmark
public void forEachKeySet(){
//遍历
for(Integer key:map.keySet()){
System.out.println(key);
System.out.println(map.get(key));
}
}
@Benchmark
public void lambda(){
//遍历
map.forEach((key, value) -> {
System.out.println(key);
System.out.println(value);
});
}
@Benchmark
public void streamApi(){
//单线程遍历
map.entrySet().stream().forEach((entry) -> {
System.out.println(entry.getKey());
System.out.println(entry.getValue());
});
}
@Benchmark
public void parallelStreamApi(){
//多线程遍历
map.entrySet().parallelStream().forEach((entry) -> {
System.out.println(entry.getKey());
System.out.println(entry.getValue());
});
}
} 所有被添加了 @Benchmark 注解的方法都会被测试，测试结果如下：
其中 Score 列表示平均执行时间， ± 符号表示误差。从以上结果可以看出，如果加上后面的误差值的话，可以得出的结论是，除了并行循环的 parallelStream 性能比极高之外（多线程方式性能肯定比较高），其他方式的遍历方法在性能方面几乎没有任何差别。
性能原理分析
要理解性能测试的结果，我们需要把所有遍历代码通过 javac，编译成字节码来看具体的原因，编译之后我们使用 Idea 打开字节码信息，内容如下：
//
// Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA
// (powered by Fernflower decompiler)
//
package com.example;
import java.util.HashMap;
import java.util.Iterator;
import java.util.Map;
import java.util.Map.Entry;
public class HashMapTest {
static Map map = new HashMap() {
{
for(int var1 = 0; var1 < 2; ++var1) {
this.put(var1, "val:" + var1);
}
}
};
public HashMapTest() {
}
public static void main(String[] var0) {
entrySet();
keySet();
forEachEntrySet();
forEachKeySet();
lambda();
streamApi();
parallelStreamApi();
}
public static void entrySet() {
Iterator var0 = map.entrySet().iterator();
while(var0.hasNext()) {
Entry var1 = (Entry)var0.next();
System.out.println(var1.getKey());
System.out.println((String)var1.getValue());
}
}
public static void keySet() {
Iterator var0 = map.keySet().iterator();
while(var0.hasNext()) {
Integer var1 = (Integer)var0.next();
System.out.println(var1);
System.out.println((String)map.get(var1));
}
}
public static void forEachEntrySet() {
Iterator var0 = map.entrySet().iterator();
while(var0.hasNext()) {
Entry var1 = (Entry)var0.next();
System.out.println(var1.getKey());
System.out.println((String)var1.getValue());
}
}
public static void forEachKeySet() {
Iterator var0 = map.keySet().iterator();
while(var0.hasNext()) {
Integer var1 = (Integer)var0.next();
System.out.println(var1);
System.out.println((String)map.get(var1));
}
}
public static void lambda() {
map.forEach((var0, var1) -> {
System.out.println(var0);
System.out.println(var1);
});
}
public static void streamApi() {
map.entrySet().stream().forEach((var0) -> {
System.out.println(var0.getKey());
System.out.println((String)var0.getValue());
});
}
public static void parallelStreamApi() {
map.entrySet().parallelStream().forEach((var0) -> {
System.out.println(var0.getKey());
System.out.println((String)var0.getValue());
});
}
} 从结果可以看出，除了 Lambda 和 Streams API 之外，通过迭代器循环和 for 循环的遍历的 EntrySet 最终生成的代码是一样的，他们都是在循环中创建了一个遍历对象 Entry ，如下所示：
public static void entrySet() {
Iterator var0 = map.entrySet().iterator();
while(var0.hasNext()) {
Entry var1 = (Entry)var0.next();
System.out.println(var1.getKey());
System.out.println((String)var1.getValue());
}
}
public static void forEachEntrySet() {
Iterator var0 = map.entrySet().iterator();
while(var0.hasNext()) {
Entry var1 = (Entry)var0.next();
System.out.println(var1.getKey());
System.out.println((String)var1.getValue());
}
}而通过迭代器和 for 循环遍历的 KeySet 代码也是一样的，如下所示：
public static void keySet() {
Iterator var0 = map.keySet().iterator();
while(var0.hasNext()) {
Integer var1 = (Integer)var0.next();
System.out.println(var1);
System.out.println((String)map.get(var1));
}
}
public static void forEachKeySet() {
Iterator var0 = map.keySet().iterator();
while(var0.hasNext()) {
Integer var1 = (Integer)var0.next();
System.out.println(var1);
System.out.println((String)map.get(var1));
}
}可以看出 KeySet 在循环中创建了一个 Integer 的局部变量，并且值是从 map 对象中直接获取的。
所以通过字节码来看，使用 EntrySet 和 KeySet 代码差别不是很大，并不像网上说的那样 KeySet 的性能远不如 EntrySet，因此从性能的角度来说 EntrySet 和 KeySet 几乎是相近的，但从代码的优雅型和可读性来说，还是推荐使用 EntrySet。
安全性测试
从上面的性能测试结果和原理分析，我想大家应该选用那种遍历方式，已经心中有数的，而接下来我们就从「安全」的角度入手，来分析那种遍历方式更安全。
我们把以上遍历划分为四类进行测试：迭代器方式、For 循环方式、Lambda 方式和 Stream 方式，测试代码如下。
迭代器方式
Iterator> iterator = map.entrySet().iterator();
while(iterator.hasNext()){
Map.Entry entry = iterator.next();
if (entry.getKey() == 1) {
// 删除
System.out.println("del:" + entry.getKey());
iterator.remove();
} else {
System.out.println("show:" + entry.getKey());
}
} 以上程序的执行结果：
show:0
del:1
show:2
测试结果：迭代器中循环删除数据安全。
For循环方式
for (Map.Entry entry : map.entrySet()) {
if (entry.getKey() == 1) {
*// 删除*
System.out.println("del:" + entry.getKey());
map.remove(entry.getKey());
} else {
System.out.println("show:" + entry.getKey());
}
} 
Lambda方式
map.forEach((key, value) -> {
if (key == 1) {
System.out.println("del:" + key);
map.remove(key);
} else {
System.out.println("show:" + key);
}
});
Lambda删除的正确方式：
map.forEach((key, value) -> {
if (key == 1) {
System.out.println("del:" + key);
map.remove(key);
} else {
System.out.println("show:" + key);
}
});以上程序的执行结果：
show:0
show:2
从上面的代码可以看出，可以先使用 Lambda 的 removeIf 删除多余的数据，再进行循环是一种正确操作集合的方式。
Stream 方式
map.entrySet().stream().forEach((entry) -> {
if (entry.getKey() == 1) {
System.out.println("del:" + entry.getKey());
map.remove(entry.getKey());
} else {
System.out.println("show:" + entry.getKey());
}
});
Stream循环的正确方式：
map.entrySet().stream().filter(m->1 != m.getKey()).forEach((entry) -> {
if(entry.getKey()==1){
System.out.println("del:"+entry.getKey())
} else {
System.out.println("show:"+entry.getKey());
}
});以上程序的执行结果：
show:0
show:2
从上面的代码可以看出，可以使用Stream的filter过滤无用的数据，再进行遍历也是一种安全的操作集合的方式。
小结
我们不能在遍历中使用集合 map.remove() 来删除数据，这是非安全的操作方式，但我们可以使用迭代器的 iterator.remove() 的方法来删除数据，这是安全的删除集合的方式。同样的我们也可以使用 Lambda 中的 removeIf 来提前删除数据，或者是使用 Stream 中的 filter 过滤掉要删除的数据进行循环，这样都是安全的，当然我们也可以在 for 循环前删除数据在遍历也是线程安全的。
总结
本文我们讲了 HashMap 4 大类（迭代器、for、lambda、stream）遍历方式，以及具体的 7 种遍历方法，除了 Stream 的并行循环，其他几种遍历方法的性能差别不大，但从简洁性和优雅性上来看，Lambda 和 Stream 无疑是最适合的遍历方式。除此之外我们还从「安全性」方面测试了 4 大类遍历结果，从安全性来讲，我们应该使用迭代器提供的 iterator.remove() 方法来进行删除，这种方式是安全的在遍历中删除集合的方式，或者使用 Stream 中的 filter 过滤掉要删除的数据再进行循环，也是安全的操作方式。
总体来说，本文提供了 7 种方式肯定也不是最全的，我是想给读者在使用 HashMap 时多一种选择，然而选择那一种形式的写法，要综合：性能、安全性、使用环境的 JDK 版本以及优雅性和可读性等方面来综合考虑。