|
|
|
|
公众号矩阵

HashMap的7种遍历方式+性能分析!

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。

作者:佚名来源:Java知音|2020-11-20 14:02

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:

  1.  迭代器(Iterator)方式遍历;
  2.  For Each 方式遍历;
  3.  Lambda 表达式遍历(JDK 1.8+);
  4.  Streams API 遍历(JDK 1.8+)。

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。

接下来我们来看每种遍历方式的具体实现代码。

1.迭代器 EntrySet

  1. public class HashMapTest {  
  2.     public static void main(String[] args) {  
  3.         // 创建并赋值 HashMap  
  4.         Map<Integer, String> map = new HashMap();  
  5.         map.put(1, "Java");  
  6.         map.put(2, "JDK");  
  7.         map.put(3, "Spring Framework");  
  8.         map.put(4, "MyBatis framework");  
  9.         map.put(5, "Java中文社群");  
  10.         // 遍历  
  11.         Iterator<Map.Entry<Integer, String>> iterator = map.entrySet().iterator();  
  12.         while (iterator.hasNext()) {  
  13.             Map.Entry<Integer, String> entry = iterator.next();  
  14.             System.out.println(entry.getKey());  
  15.             System.out.println(entry.getValue());  
  16.         }  
  17.     }  

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

2.迭代器 KeySet

  1. public class HashMapTest {  
  2.     public static void main(String[] args) {  
  3.         // 创建并赋值 HashMap  
  4.         Map<Integer, String> map = new HashMap();  
  5.         map.put(1, "Java");  
  6.         map.put(2, "JDK");  
  7.         map.put(3, "Spring Framework");  
  8.         map.put(4, "MyBatis framework");  
  9.         map.put(5, "Java中文社群");  
  10.         // 遍历  
  11.         Iterator<Integer> iterator = map.keySet().iterator();  
  12.         while (iterator.hasNext()) {  
  13.             Integer key = iterator.next();  
  14.             System.out.println(key);  
  15.             System.out.println(map.get(key));  
  16.         }  
  17.     }  

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

3.ForEach EntrySet

  1. public class HashMapTest {  
  2.     public static void main(String[] args) {  
  3.         // 创建并赋值 HashMap  
  4.         Map<Integer, String> map = new HashMap();  
  5.         map.put(1, "Java");  
  6.         map.put(2, "JDK");  
  7.         map.put(3, "Spring Framework");  
  8.         map.put(4, "MyBatis framework");  
  9.         map.put(5, "Java中文社群");  
  10.         // 遍历  
  11.         for (Map.Entry<Integer, String> entry : map.entrySet()) {  
  12.             System.out.println(entry.getKey());  
  13.             System.out.println(entry.getValue());  
  14.         }  
  15.     }  

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

4.ForEach KeySet

  1. public class HashMapTest {  
  2.     public static void main(String[] args) {  
  3.         // 创建并赋值 HashMap  
  4.         Map<Integer, String> map = new HashMap();  
  5.         map.put(1, "Java");  
  6.         map.put(2, "JDK");  
  7.         map.put(3, "Spring Framework");  
  8.         map.put(4, "MyBatis framework");  
  9.         map.put(5, "Java中文社群");  
  10.         // 遍历  
  11.         for (Integer key : map.keySet()) {  
  12.             System.out.println(key);  
  13.             System.out.println(map.get(key));  
  14.         }  
  15.     }  

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

5.Lambda

  1. public class HashMapTest {  
  2.     public static void main(String[] args) {  
  3.         // 创建并赋值 HashMap  
  4.         Map<Integer, String> map = new HashMap();  
  5.         map.put(1, "Java");  
  6.         map.put(2, "JDK");  
  7.         map.put(3, "Spring Framework");  
  8.         map.put(4, "MyBatis framework");  
  9.         map.put(5, "Java中文社群");  
  10.         // 遍历  
  11.         map.forEach((key, value) -> {  
  12.             System.out.println(key);  
  13.             System.out.println(value);  
  14.         });  
  15.     }  

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

6.Streams API 单线程

  1. public class HashMapTest {  
  2.     public static void main(String[] args) {  
  3.         // 创建并赋值 HashMap  
  4.         Map<Integer, String> map = new HashMap();  
  5.         map.put(1, "Java");  
  6.         map.put(2, "JDK");  
  7.         map.put(3, "Spring Framework");  
  8.         map.put(4, "MyBatis framework");  
  9.         map.put(5, "Java中文社群");  
  10.         // 遍历  
  11.         map.entrySet().stream().forEach((entry) -> {  
  12.             System.out.println(entry.getKey());  
  13.             System.out.println(entry.getValue());  
  14.         });  
  15.     }  

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

7.Streams API 多线程

  1. public class HashMapTest {  
  2.     public static void main(String[] args) {  
  3.         // 创建并赋值 HashMap  
  4.         Map<Integer, String> map = new HashMap();  
  5.         map.put(1, "Java");  
  6.         map.put(2, "JDK");  
  7.         map.put(3, "Spring Framework");  
  8.         map.put(4, "MyBatis framework");  
  9.         map.put(5, "Java中文社群");  
  10.         // 遍历  
  11.         map.entrySet().parallelStream().forEach((entry) -> { 
  12.             System.out.println(entry.getKey());  
  13.             System.out.println(entry.getValue());  
  14.         });  
  15.     }  

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:

  1. <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jmh/jmh-core -->  
  2. <dependency>  
  3.     <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>  
  4.     <artifactId>jmh-core</artifactId>  
  5.     <version>1.23</version>  
  6. </dependency>  
  7. <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jmh/jmh-generator-annprocess -->  
  8. <dependency>  
  9.     <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>  
  10.     <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>  
  11.     <version>1.23</version>  
  12.     <scope>provided</scope>  
  13. </dependency> 

然后编写测试代码,如下所示:

  1. @BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 测试完成时间  
  2. @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)  
  3. @Warmup(iterations = 2time = 1timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 预热 2 轮,每次 1s  
  4. @Measurement(iterations = 5time = 1timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 测试 5 轮,每次 1s  
  5. @Fork(1) // fork 1 个线程  
  6. @State(Scope.Thread) // 每个测试线程一个实例  
  7. public class HashMapCycleTest {  
  8.     static Map<Integer, String> map = new HashMap() {{  
  9.         // 添加数据  
  10.         for (int i = 0; i < 100; i++) {  
  11.             put(i, "val:" + i);  
  12.         }  
  13.     }};  
  14.     public static void main(String[] args) throws RunnerException {  
  15.         // 启动基准测试  
  16.         Options opt = new OptionsBuilder()  
  17.                 .include(HashMapCycle.class.getSimpleName()) // 要导入的测试类  
  18.                 .output("/Users/admin/Desktop/jmh-map.log") // 输出测试结果的文件  
  19.                 .build();  
  20.         new Runner(opt).run(); // 执行测试  
  21.     }  
  22.     @Benchmark  
  23.     public void entrySet() {  
  24.         // 遍历  
  25.         Iterator<Map.Entry<Integer, String>> iterator = map.entrySet().iterator();  
  26.         while (iterator.hasNext()) {  
  27.             Map.Entry<Integer, String> entry = iterator.next();  
  28.             Integer k = entry.getKey();  
  29.             String v = entry.getValue();  
  30.         }  
  31.     }  
  32.     @Benchmark 
  33.      public void forEachEntrySet() {  
  34.         // 遍历  
  35.         for (Map.Entry<Integer, String> entry : map.entrySet()) {  
  36.             Integer k = entry.getKey();  
  37.             String v = entry.getValue();  
  38.         }  
  39.     }  
  40.     @Benchmark  
  41.     public void keySet() {  
  42.         // 遍历  
  43.         Iterator<Integer> iterator = map.keySet().iterator();  
  44.         while (iterator.hasNext()) {  
  45.             Integer k = iterator.next();  
  46.             String v = map.get(k);  
  47.         }  
  48.     }  
  49.     @Benchmark  
  50.     public void forEachKeySet() {  
  51.         // 遍历  
  52.         for (Integer key : map.keySet()) {  
  53.             Integer k = key 
  54.             String v = map.get(k);  
  55.         } 
  56.     }  
  57.     @Benchmark  
  58.     public void lambda() { 
  59.          // 遍历  
  60.         map.forEach((key, value) -> {  
  61.             Integer k = key 
  62.             String v = value 
  63.         });  
  64.     }  
  65.     @Benchmark 
  66.      public void streamApi() {  
  67.         // 单线程遍历  
  68.         map.entrySet().stream().forEach((entry) -> {  
  69.             Integer k = entry.getKey();  
  70.             String v = entry.getValue();  
  71.         });  
  72.     }  
  73.     public void parallelStreamApi() {  
  74.         // 多线程遍历  
  75.         map.entrySet().parallelStream().forEach((entry) -> {  
  76.             Integer k = entry.getKey();  
  77.             String v = entry.getValue();  
  78.         });  
  79.     }  

所有被添加了 @Benchmark 注解的方法都会被测试,因为 parallelStream 为多线程版本性能一定是最好的,所以就不参与测试了,其他 6 个方法的测试结果如下:

其中 Units 为 ns/op 意思是执行完成时间(单位为纳秒),而 Score 列为平均执行时间, ± 符号表示误差。从以上结果可以看出,两个 entrySet 的性能相近,并且执行速度最快,接下来是 stream ,然后是两个 keySet,性能最差的是 KeySet 。

注:以上结果基于测试环境:JDK 1.8 / Mac mini (2018) / Idea 2020.1

结论

从以上结果可以看出 entrySet 的性能比 keySet 的性能高出了一倍之多,因此我们应该尽量使用 entrySet  来实现 Map 集合的遍历。

字节码分析

要理解以上的测试结果,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。

编译后,我们使用 Idea 打开字节码,内容如下:

  1. //  
  2. // Source code recreated from a .class file by IntelliJ IDEA  
  3. // (powered by Fernflower decompiler)  
  4. //  
  5. package com.example;  
  6. import java.util.HashMap;  
  7. import java.util.Iterator;  
  8. import java.util.Map;  
  9. import java.util.Map.Entry;  
  10. public class HashMapTest {  
  11.     static Map<Integer, String> map = new HashMap() {  
  12.         {  
  13.             for(int var1 = 0; var1 < 2; ++var1) {  
  14.                 this.put(var1, "val:" + var1);  
  15.             }  
  16.         }  
  17.     };  
  18.     public HashMapTest() {  
  19.     } 
  20.     public static void main(String[] var0) {  
  21.         entrySet();  
  22.         keySet();  
  23.         forEachEntrySet();  
  24.         forEachKeySet();  
  25.         lambda();  
  26.         streamApi();  
  27.         parallelStreamApi();  
  28.     }  
  29.     public static void entrySet() {  
  30.         Iterator var0 = map.entrySet().iterator();  
  31.         while(var0.hasNext()) {  
  32.             Entry var1 = (Entry)var0.next();  
  33.             System.out.println(var1.getKey());  
  34.             System.out.println((String)var1.getValue());  
  35.         }  
  36.     }  
  37.     public static void keySet() {  
  38.         Iterator var0 = map.keySet().iterator();  
  39.         while(var0.hasNext()) {  
  40.             Integer var1 = (Integer)var0.next();  
  41.             System.out.println(var1);  
  42.             System.out.println((String)map.get(var1));  
  43.         } 
  44.     } 
  45.     public static void forEachEntrySet() {  
  46.         Iterator var0 = map.entrySet().iterator();  
  47.         while(var0.hasNext()) {  
  48.             Entry var1 = (Entry)var0.next();  
  49.             System.out.println(var1.getKey());  
  50.             System.out.println((String)var1.getValue()); 
  51.         }  
  52.     }  
  53.     public static void forEachKeySet() {  
  54.         Iterator var0 = map.keySet().iterator();  
  55.         while(var0.hasNext()) {  
  56.             Integer var1 = (Integer)var0.next();  
  57.             System.out.println(var1);  
  58.             System.out.println((String)map.get(var1));  
  59.         }  
  60.     }  
  61.     public static void lambda() {  
  62.         map.forEach((var0, var1) -> {  
  63.             System.out.println(var0);  
  64.             System.out.println(var1);  
  65.         });  
  66.     }  
  67.     public static void streamApi() {  
  68.         map.entrySet().stream().forEach((var0) -> {  
  69.             System.out.println(var0.getKey());  
  70.             System.out.println((String)var0.getValue());  
  71.         });  
  72.     }  
  73.     public static void parallelStreamApi() {  
  74.         map.entrySet().parallelStream().forEach((var0) -> {  
  75.             System.out.println(var0.getKey());  
  76.             System.out.println((String)var0.getValue());  
  77.         });  
  78.     }  

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 ,代码如下:

  1. public static void entrySet() {  
  2.     Iterator var0 = map.entrySet().iterator();  
  3.     while(var0.hasNext()) {  
  4.         Entry var1 = (Entry)var0.next();  
  5.         System.out.println(var1.getKey());  
  6.         System.out.println((String)var1.getValue());  
  7.     }  
  8.  
  9. public static void forEachEntrySet() {  
  10.     Iterator var0 = map.entrySet().iterator();  
  11.     while(var0.hasNext()) {  
  12.         Entry var1 = (Entry)var0.next();  
  13.         System.out.println(var1.getKey());  
  14.         System.out.println((String)var1.getValue());  
  15.     }  

而 KeySet 的代码也是类似的,如下所示:

  1. public static void keySet() {  
  2.     Iterator var0 = map.keySet().iterator();  
  3.     while(var0.hasNext()) {  
  4.         Integer var1 = (Integer)var0.next();  
  5.         System.out.println(var1);  
  6.         System.out.println((String)map.get(var1));  
  7.     }  
  8. }   
  9. public static void forEachKeySet() {  
  10.     Iterator var0 = map.keySet().iterator();  
  11.     while(var0.hasNext()) {  
  12.         Integer var1 = (Integer)var0.next();  
  13.         System.out.println(var1);  
  14.         System.out.println((String)map.get(var1));  
  15.     }  

所以我们在使用迭代器或是 for 循环 EntrySet 时,他们的性能都是相同的,因为他们最终生成的字节码基本都是一样的;同理 KeySet 的两种遍历方式也是类似的。

性能分析

EntrySet 之所以比 KeySet 的性能高是因为,KeySet 在循环时使用了 map.get(key),而 map.get(key) 相当于又遍历了一遍 Map 集合去查询 key 所对应的值。为什么要用“又”这个词?那是因为在使用迭代器或者 for 循环时,其实已经遍历了一遍 Map 集合了,因此再使用 map.get(key) 查询时,相当于遍历了两遍。

而 EntrySet 只遍历了一遍 Map 集合,之后通过代码“Entry<Integer, String> entry = iterator.next()”把对象的 key 和 value 值都放入到了 Entry 对象中,因此再获取 key 和 value 值时就无需再遍历 Map 集合,只需要从 Entry 对象中取值就可以了。

所以,EntrySet 的性能比 KeySet 的性能高出了一倍,因为 KeySet 相当于循环了两遍 Map 集合,而 EntrySet 只循环了一遍。

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。

1.迭代器方式

  1. Iterator<Map.Entry<Integer, String>> iterator = map.entrySet().iterator();  
  2. while (iterator.hasNext()) {  
  3.     Map.Entry<Integer, String> entry = iterator.next();  
  4.     if (entry.getKey() == 1) {  
  5.         // 删除  
  6.         System.out.println("del:" + entry.getKey());  
  7.         iterator.remove();  
  8.     } else {  
  9.         System.out.println("show:" + entry.getKey());  
  10.     }  

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。

2.For 循环方式

  1. for (Map.Entry<Integer, String> entry : map.entrySet()) {  
  2.     if (entry.getKey() == 1) {  
  3.         // 删除  
  4.         System.out.println("del:" + entry.getKey());  
  5.         map.remove(entry.getKey());  
  6.     } else {  
  7.         System.out.println("show:" + entry.getKey());  
  8.     }  

以上程序的执行结果:

image.png

测试结果:For 循环中删除数据非安全。

3.Lambda 方式

  1. map.forEach((key, value) -> {  
  2.     if (key == 1) {  
  3.         System.out.println("del:" + key);  
  4.         map.remove(key);  
  5.     } else {  
  6.         System.out.println("show:" + key);  
  7.     }  
  8. }); 

以上程序的执行结果:

测试结果:Lambda 循环中删除数据非安全。

Lambda 删除的正确方式:

  1. // 根据 map 中的 key 去判断删除  
  2. map.keySet().removeIf(key -> key == 1);  
  3. map.forEach((key, value) -> {  
  4.     System.out.println("show:" + key);  
  5. }); 

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。

4.Stream 方式

  1. map.entrySet().stream().forEach((entry) -> {  
  2.     if (entry.getKey() == 1) {  
  3.         System.out.println("del:" + entry.getKey()); 
  4.         map.remove(entry.getKey());  
  5.     } else {  
  6.         System.out.println("show:" + entry.getKey());  
  7.     }  
  8. }); 

以上程序的执行结果:

image.png

测试结果:Stream 循环中删除数据非安全。

Stream 循环的正确方式:

  1. map.entrySet().stream().filter(m -> 1 != m.getKey()).forEach((entry) -> {  
  2.     if (entry.getKey() == 1) {  
  3.         System.out.println("del:" + entry.getKey());  
  4.     } else {  
  5.         System.out.println("show:" + entry.getKey());  
  6.     }  
  7. }); 

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 中的 filter 过滤掉无用的数据,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 种遍历方式:迭代器、for、lambda、stream,以及具体的 7 种遍历方法,综合性能和安全性来看,我们应该尽量使用迭代器(Iterator)来遍历 EntrySet 的遍历方式来操作 Map 集合,这样就会既安全又高效了。

【责任编辑:庞桂玉 TEL:(010)68476606】

点赞 0
分享:
大家都在看
猜你喜欢

订阅专栏+更多

云原生架构实践

云原生架构实践

新技术引领移动互联网进入急速赛道
共3章 | KaliArch

29人订阅学习

数据中心和VPDN网络建设案例

数据中心和VPDN网络建设案例

漫画+案例
共20章 | 捷哥CCIE

193人订阅学习

搭建数据中心实验Lab

搭建数据中心实验Lab

实验平台Datacenter
共5章 | ITGO(老曾)

119人订阅学习

订阅51CTO邮刊

点击这里查看样刊

订阅51CTO邮刊

51CTO服务号

51CTO官微