分析Java中Map的遍歷性能問題

更新時(shí)間：2021年06月26日 15:45:26 作者：李帆1998

隨著JDK 1.8 Streams API的發(fā)布，使得HashMap擁有了更多的遍歷的方式，但應(yīng)該選擇那種遍歷方式？反而成了一個(gè)問題。本文從幾個(gè)方面來分析 HashMap各種遍歷方式的優(yōu)勢(shì)與不足

一、引言

我們知道java HashMap的擴(kuò)容是有成本的，為了減少擴(kuò)容的次數(shù)和成本，可以給HashMap設(shè)置初始容量大小，如下所示：

HashMap<string, integer=""> map0 = new HashMap<string, integer="">(100000);

但是在實(shí)際使用的過程中，發(fā)現(xiàn)性能不但沒有提升，反而顯著下降了！代碼里對(duì)HashMap的操作也只有遍歷了，看來是遍歷出了問題，于是做了一番測(cè)試，得到如下結(jié)果：

HashMap的迭代器遍歷性能與 initial capacity 有關(guān)，與size無關(guān)

二、迭代器測(cè)試

貼上測(cè)試代碼：

public class MapForEachTest {

    public static void main(String[] args) {
        HashMap<string, integer=""> map0 = new HashMap<string, integer="">(100000);

        initDataAndPrint(map0);

        HashMap<string, integer=""> map1 = new HashMap<string, integer="">();

        initDataAndPrint(map1);

    }



    private static void initDataAndPrint(HashMap map) {

        initData(map);

        long start = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            forEach(map);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("");
        System.out.println("HashMap Size: " + map.size() +  " 耗時(shí): " + (end - start) + " ms");
    }

    private static void forEach(HashMap map) {
        for (Iterator<map.entry<string, integer="">> it = map.entrySet().iterator(); it.hasNext();){
            Map.Entry<string, integer=""> item = it.next();
            System.out.print(item.getKey());
            // do something
        }

    }

    private static void initData(HashMap map) {
        map.put("a", 0);
        map.put("b", 1);
        map.put("c", 2);
        map.put("d", 3);
        map.put("e", 4);
        map.put("f", 5);
    }

}

這是運(yùn)行結(jié)果：

我們將第一個(gè)Map初始化10w大小，第二個(gè)map不指定大小(實(shí)際16)，兩個(gè)存儲(chǔ)相同的數(shù)據(jù)，但是用迭代器遍歷100次的時(shí)候發(fā)現(xiàn)性能迥異，一個(gè)36ms一個(gè)4ms，實(shí)際上性能差距更大，這里的4ms是600次System.out.print的耗時(shí)，這里將print注掉再試下

for (Iterator<map.entry<string, integer="">> it = map.entrySet().iterator(); it.hasNext();){
    Map.Entry<string, integer=""> item = it.next();
    // System.out.print(item.getKey());
    // do something
}

輸出結(jié)果如下：

可以發(fā)現(xiàn)第二個(gè)map耗時(shí)幾乎為0，第一個(gè)達(dá)到了28ms，遍歷期間沒有進(jìn)行任何操作，既然石錘了和 initial capacity 有關(guān)，下一步我們?nèi)タ纯礊槭裁磿?huì)這樣，找找Map迭代器的源碼看看。

三、迭代器源碼探究

我們來看看Map.entrySet().iterator()的源碼；

public final Iterator<map.entry<k,v>> iterator() {
    return new EntryIterator();
}

其中EntryIterator是HashMap的內(nèi)部抽象類，源碼并不多，我全部貼上來并附上中文注釋

abstract class HashIterator {
    // 下一個(gè)Node
    Node<k,v> next; // next entry to return
    // 當(dāng)前Node
    Node<k,v> current;     // current entry
    // 預(yù)期的Map大小，也就是說每個(gè)HashMap可以有多個(gè)迭代器(每次調(diào)用 iterator() 會(huì)new 一個(gè)迭代器出來)，但是只能有一個(gè)迭代器對(duì)他remove，否則會(huì)直接報(bào)錯(cuò)(快速失敗)
    int expectedModCount;  // for fast-fail
    
    // 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所在的數(shù)組下標(biāo)，HashMap內(nèi)部是使用數(shù)組來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，不了解的先去看看HashMap的源碼吧
    int index;             // current slot

    HashIterator() {
        // 初始化 expectedModCount
        expectedModCount = modCount;
        // 淺拷貝一份Map的數(shù)據(jù)
        Node<k,v>[] t = table;
        current = next = null;
        index = 0;
        // 如果 Map 中數(shù)據(jù)不為空，遍歷數(shù)組找到第一個(gè)實(shí)際存儲(chǔ)的素，賦值給next
        if (t != null && size > 0) { // advance to first entry
            do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
        }
    }

    public final boolean hasNext() {
        return next != null;
    }

    final Node<k,v> nextNode() {
        // 用來淺拷貝table，和別名的作用差不多，沒啥用
        Node<k,v>[] t;
        // 定義一個(gè)e指存儲(chǔ)next，并在找到下一值時(shí)返它自己
        Node<k,v> e = next;
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        if (e == null)
            throw new NoSuchElementException();
            
        // 使current指向e，也就是next，這次要找的值，并且讓next = current.next，一般為null
        if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
            do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
        }
        return e;
    }

    /**
     * 刪除元素，這里不講了，調(diào)的是HashMap的removeNode，沒啥特別的
     **/
    public final void remove() {
        Node<k,v> p = current;
        if (p == null)
            throw new IllegalStateException();
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        current = null;
        K key = p.key;
        removeNode(hash(key), key, null, false, false);
        // 用來保證快速失敗的
        expectedModCount = modCount;
    }
}

上面的代碼一看就明白了，迭代器每次尋找下一個(gè)元素都會(huì)去遍歷數(shù)組，如果 initial capacity 特別大的話，也就是說 threshold 也大，table.length就大，所以遍歷比較耗性能。

table數(shù)組的大小設(shè)置是在resize()方法里：

Node<k,v>[] newTab = (Node<k,v>[])new Node[newCap];
table = newTab;

四、其他遍歷方法

注意代碼里我們用的是Map.entrySet().iterator()，實(shí)際上和keys().iterator(), values().iterator() 一樣，源碼如下：

final class KeyIterator extends HashIterator
    implements Iterator<k> {
    public final K next() { return nextNode().key; }
}

final class ValueIterator extends HashIterator
    implements Iterator<v> {
    public final V next() { return nextNode().value; }
}

final class EntryIterator extends HashIterator
    implements Iterator<map.entry<k,v>> {
    public final Map.Entry<k,v> next() { return nextNode(); }
}

這兩個(gè)就不分析了，性能一樣。

實(shí)際使用中對(duì)集合的遍歷還有幾種方法：

普通for循環(huán)+下標(biāo)
增強(qiáng)型for循環(huán)
Map.forEach
Stream.forEach

普通for循環(huán)+下標(biāo)的方法不適用于Map，這里不討論了。

4.1、增強(qiáng)型for循環(huán)

增強(qiáng)行for循環(huán)實(shí)際上是通過迭代器來實(shí)現(xiàn)的，我們來看兩者的聯(lián)系

源碼：

private static void forEach(HashMap map) {
    for (Iterator<map.entry<string, integer="">> it = map.entrySet().iterator(); it.hasNext();){
        Map.Entry<string, integer=""> item = it.next();
        System.out.print(item.getKey());
        // do something
    }
}


private static void forEach0(HashMap<string, integer=""> map) {
    for (Map.Entry entry : map.entrySet()) {
        System.out.print(entry.getKey());
    }
}

編譯后的字節(jié)碼：

// access flags 0xA
  private static forEach(Ljava/util/HashMap;)V
   L0
    LINENUMBER 41 L0
    ALOAD 0
    INVOKEVIRTUAL java/util/HashMap.entrySet ()Ljava/util/Set;
    INVOKEINTERFACE java/util/Set.iterator ()Ljava/util/Iterator; (itf)
    ASTORE 1
   L1
   FRAME APPEND [java/util/Iterator]
    ALOAD 1
    INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.hasNext ()Z (itf)
    IFEQ L2
   L3
    LINENUMBER 42 L3
    ALOAD 1
    INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.next ()Ljava/lang/Object; (itf)
    CHECKCAST java/util/Map$Entry
    ASTORE 2
   L4
    LINENUMBER 43 L4
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    ALOAD 2
    INVOKEINTERFACE java/util/Map$Entry.getKey ()Ljava/lang/Object; (itf)
    CHECKCAST java/lang/String
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.print (Ljava/lang/String;)V
   L5
    LINENUMBER 45 L5
    GOTO L1
   L2
    LINENUMBER 46 L2
   FRAME CHOP 1
    RETURN
   L6
    LOCALVARIABLE item Ljava/util/Map$Entry; L4 L5 2
    // signature Ljava/util/Map$Entry<ljava lang="" string;ljava="" integer;="">;
    // declaration: item extends java.util.Map$Entry<java.lang.string, java.lang.integer="">
    LOCALVARIABLE it Ljava/util/Iterator; L1 L2 1
    // signature Ljava/util/Iterator<ljava util="" map$entry<ljava="" lang="" string;ljava="" integer;="">;>;
    // declaration: it extends java.util.Iterator<java.util.map$entry<java.lang.string, java.lang.integer="">>
    LOCALVARIABLE map Ljava/util/HashMap; L0 L6 0
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 3

  // access flags 0xA
  // signature (Ljava/util/HashMap<ljava lang="" string;ljava="" integer;="">;)V
  // declaration: void forEach0(java.util.HashMap<java.lang.string, java.lang.integer="">)
  private static forEach0(Ljava/util/HashMap;)V
   L0
    LINENUMBER 50 L0
    ALOAD 0
    INVOKEVIRTUAL java/util/HashMap.entrySet ()Ljava/util/Set;
    INVOKEINTERFACE java/util/Set.iterator ()Ljava/util/Iterator; (itf)
    ASTORE 1
   L1
   FRAME APPEND [java/util/Iterator]
    ALOAD 1
    INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.hasNext ()Z (itf)
    IFEQ L2
    ALOAD 1
    INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.next ()Ljava/lang/Object; (itf)
    CHECKCAST java/util/Map$Entry
    ASTORE 2
   L3
    LINENUMBER 51 L3
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    ALOAD 2
    INVOKEINTERFACE java/util/Map$Entry.getKey ()Ljava/lang/Object; (itf)
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.print (Ljava/lang/Object;)V
   L4
    LINENUMBER 52 L4
    GOTO L1
   L2
    LINENUMBER 53 L2
   FRAME CHOP 1
    RETURN
   L5
    LOCALVARIABLE entry Ljava/util/Map$Entry; L3 L4 2
    LOCALVARIABLE map Ljava/util/HashMap; L0 L5 0
    // signature Ljava/util/HashMap<ljava lang="" string;ljava="" integer;="">;
    // declaration: map extends java.util.HashMap<java.lang.string, java.lang.integer="">
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 3

都不用耐心觀察，兩個(gè)方法的字節(jié)碼除了局部變量不一樣其他都幾乎一樣，由此可以得出增強(qiáng)型for循環(huán)性能與迭代器一樣，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果也一樣，我不展示了，感興趣的自己去copy文章開頭和結(jié)尾的代碼試下。

4.2、Map.forEach

先說一下為什么不把各種方法一起運(yùn)行同時(shí)打印性能，這是因?yàn)镃PU緩存的原因和JVM的一些優(yōu)化會(huì)干擾到性能的判斷，附錄全部測(cè)試結(jié)果有說明

直接來看源碼吧

@Override
public void forEach(BiConsumer<!--? super K, ? super V--> action) {
    Node<k,v>[] tab;
    if (action == null)
        throw new NullPointerException();
    if (size > 0 && (tab = table) != null) {
        int mc = modCount;
        for (int i = 0; i < tab.length; ++i) {
            for (Node<k,v> e = tab[i]; e != null; e = e.next)
                action.accept(e.key, e.value);
        }
        if (modCount != mc)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

很簡(jiǎn)短的源碼，就不打注釋了，從源碼我們不難獲取到以下信息：

該方法也是快速失敗的，遍歷期間不能刪除元素
需要遍歷整個(gè)數(shù)組
BiConsumer加了@FunctionalInterface注解，用了 lambda

第三點(diǎn)和性能無關(guān)，這里只是提下

通過以上信息我們能確定這個(gè)性能與table數(shù)組的大小有關(guān)。

但是在實(shí)際測(cè)試的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)性能比迭代器差了不少：

4.3、Stream.forEach

Stream與Map.forEach的共同點(diǎn)是都使用了lambda表達(dá)式。但兩者的源碼沒有任何復(fù)用的地方。

不知道你有沒有看累，先上測(cè)試結(jié)果吧：

耗時(shí)比Map.foreach還要高點(diǎn)。

下面講講Straam.foreach順序流的源碼，這個(gè)也不復(fù)雜，不過累的話先去看看總結(jié)吧。

Stream.foreach的執(zhí)行者是分流器，HashMap的分流器源碼就在HashMap類中，是一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類，類名叫 EntrySpliterator

下面是順序流執(zhí)行的方法

public void forEachRemaining(Consumer<!--? super Map.Entry<K,V-->> action) {
    int i, hi, mc;
    if (action == null)
        throw new NullPointerException();
    HashMap<k,v> m = map;
    Node<k,v>[] tab = m.table;
    if ((hi = fence) < 0) {
        mc = expectedModCount = m.modCount;
        hi = fence = (tab == null) ? 0 : tab.length;
    }
    else
        mc = expectedModCount;
    if (tab != null && tab.length >= hi &&
        (i = index) >= 0 && (i < (index = hi) || current != null)) {
        Node<k,v> p = current;
        current = null;
        do {
            if (p == null)
                p = tab[i++];
            else {
                action.accept(p);
                p = p.next;
            }
        } while (p != null || i < hi);
        if (m.modCount != mc)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

從以上源碼中我們也可以輕易得出遍歷需要順序掃描所有數(shù)組

五、總結(jié)

至此，Map的四種遍歷方法都測(cè)試完了，我們可以簡(jiǎn)單得出兩個(gè)結(jié)論

Map的遍歷性能與內(nèi)部table數(shù)組大小有關(guān)，也就是說與常用參數(shù) initial capacity 有關(guān)，不管哪種遍歷方式都是的
性能（由高到低）：迭代器 == 增強(qiáng)型For循環(huán) > Map.forEach > Stream.foreach

這里就不說什么多少倍多少倍的性能差距了，拋開數(shù)據(jù)集大小都是扯淡，當(dāng)我們不指定initial capacity的時(shí)候，四種遍歷方法耗時(shí)都是3ms，這3ms還是輸入輸出流的耗時(shí)，實(shí)際遍歷耗時(shí)都是0，所以數(shù)據(jù)集不大的時(shí)候用哪種都無所謂，就像不加輸入輸出流耗時(shí)不到1ms一樣，很多時(shí)候性能消耗是在遍歷中的業(yè)務(wù)操作，這篇文章不是為了讓你去優(yōu)化代碼把foreach改成迭代器的，在大多數(shù)場(chǎng)景下并不需要關(guān)注迭代本身的性能，Stream與Lambda帶來的可讀性提升更加重要。

所以此文的目的就當(dāng)是知識(shí)拓展吧，除了以上說到的遍歷性能問題，你還應(yīng)該從中能獲取到的知識(shí)點(diǎn)有：

HashMap的數(shù)組是存儲(chǔ)在table數(shù)組里的
table數(shù)組是resize方法初始化的，new Map不會(huì)初始化數(shù)組
Map遍歷是table數(shù)組從下標(biāo)0遞增排序的，所以他是無序的
keySet().iterator，values.iterator， entrySet.iterator 來說沒有本質(zhì)區(qū)別，用的都是同一個(gè)迭代器
各種遍歷方法里，只有迭代器可以remove，雖然增強(qiáng)型for循環(huán)底層也是迭代器，但這個(gè)語法糖隱藏了 remove 方法
每次調(diào)用迭代器方法都會(huì)new 一個(gè)迭代器，但是只有一個(gè)可以修改
Map.forEach與Stream.forEach看上去一樣，實(shí)際實(shí)現(xiàn)是不一樣的

附：四種遍歷源碼

private static void forEach(HashMap map) {
    for (Iterator<map.entry<string, integer="">> it = map.entrySet().iterator(); it.hasNext();){
        Map.Entry<string, integer=""> item = it.next();
        // System.out.print(item.getKey());
        // do something
    }
}


private static void forEach0(HashMap<string, integer=""> map) {
    for (Map.Entry entry : map.entrySet()) {
        System.out.print(entry.getKey());
    }
}

private static void forEach1(HashMap<string, integer=""> map) {
    map.forEach((key, value) -> {
        System.out.print(key);
    });

}

private static void forEach2(HashMap<string, integer=""> map) {
    map.entrySet().stream().forEach(e -> {
        System.out.print(e.getKey());
    });

}

附：完整測(cè)試類與測(cè)試結(jié)果+一個(gè)奇怪的問題

public class MapForEachTest {

    public static void main(String[] args) {
        HashMap<string, integer=""> map0 = new HashMap<string, integer="">(100000);
        HashMap<string, integer=""> map1 = new HashMap<string, integer="">();
        initData(map0);
        initData(map1);

        
        testIterator(map0);
        testIterator(map1);
        testFor(map0);
        testFor(map1);
        testMapForeach(map0);
        testMapForeach(map1);
        testMapStreamForeach(map0);
        testMapStreamForeach(map1);

    }



    private static void testIterator(HashMap map) {

        long start = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            forEach(map);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("");
        System.out.println("HashMap Size: " + map.size() +  " 迭代器 耗時(shí): " + (end - start) + " ms");
    }

    private static void testFor(HashMap map) {

        long start = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            forEach0(map);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("");
        System.out.println("HashMap Size: " + map.size() +  " 增強(qiáng)型For 耗時(shí): " + (end - start) + " ms");
    }

    private static void testMapForeach(HashMap map) {

        long start = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            forEach1(map);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("");
        System.out.println("HashMap Size: " + map.size() +  " MapForeach 耗時(shí): " + (end - start) + " ms");
    }


    private static void testMapStreamForeach(HashMap map) {

        long start = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            forEach2(map);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("");
        System.out.println("HashMap Size: " + map.size() +  " MapStreamForeach 耗時(shí): " + (end - start) + " ms");
    }

    private static void forEach(HashMap map) {
        for (Iterator<map.entry<string, integer="">> it = map.entrySet().iterator(); it.hasNext();){
            Map.Entry<string, integer=""> item = it.next();
            System.out.print(item.getKey());
            // do something
        }
    }


    private static void forEach0(HashMap<string, integer=""> map) {
        for (Map.Entry entry : map.entrySet()) {
            System.out.print(entry.getKey());
        }
    }

    private static void forEach1(HashMap<string, integer=""> map) {
        map.forEach((key, value) -> {
            System.out.print(key);
        });

    }

    private static void forEach2(HashMap<string, integer=""> map) {
        map.entrySet().stream().forEach(e -> {
            System.out.print(e.getKey());
        });

    }

    private static void initData(HashMap map) {
        map.put("a", 0);
        map.put("b", 1);
        map.put("c", 2);
        map.put("d", 3);
        map.put("e", 4);
        map.put("f", 5);
    }

}

測(cè)試結(jié)果：

如果你認(rèn)真看了上面的文章的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果有個(gè)不對(duì)勁的地方：

MapStreamForeach的耗時(shí)似乎變少了

我可以告訴你這不是數(shù)據(jù)的原因，從我的測(cè)試測(cè)試結(jié)果來看，直接原因是因?yàn)橄葓?zhí)行了 Map.foreach，如果你把 MapForeach 和 MapStreamForeach 調(diào)換一下執(zhí)行順序，你會(huì)發(fā)現(xiàn)后執(zhí)行的那個(gè)耗時(shí)更少。

以上就是分析Java中Map的遍歷性能問題的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java Map 遍歷性能的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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