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浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

运维开发网 https://www.qedev.com 2021-07-01 09:42 出处:网络 作者: Kevin.ZhangCG
目录一、前言二、HashMap遍历2.1、迭代器EntrySet2.2、迭代器 KeySet2.3、ForEachEntrySet2.4、ForEach KeySet2.5、Lambda2.6、Streams API 单线程2.7、Streams API 多线程三、性能分析四、字节码分析五、EntrySet性
目录
  • 一、前言
  • 二、HashMap遍历
    • 2.1、迭代器EntrySet
    • 2.2、迭代器 KeySet
    • 2.3、ForEachEntrySet
    • 2.4、ForEach KeySet
    • 2.5、Lambda
    • 2.6、Streams API 单线程
    • 2.7、Streams API 多线程
  • 三、性能分析
    • 四、字节码分析
      • 五、EntrySet性能分析
        • 六、安全性测试
          • 6.1、迭代器方式
          • 6.2、For 循环方式
          • 6.3、Lambda 方式
          • 6.4、Stream 方式
          • 6.5、小结
        • 七、总结

          一、前言

          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。

          本文主要内容如下图所示:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          二、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(JDK 1.8+);
          • 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。

          2.1、迭代器EntrySet

          @Test
              public void testIterator() {
                  // 创建并赋值 HashMap
                  Map<Integer, String> map = new HashMap();
                  map.put(1, "java");
                  map.put(2, "JDK");
                  map.put(3, "Spring Framework");
                  map.put(4, "MyBatis framework");
                  map.put(5, "Oracle Data编程客栈base");
                  // 遍历
                  Iterator<Map.Entry<Integer, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
                  while (iterator.hasNext()) {
                      Map.Entry<Integer, String> entry = iterator.next();
                      System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
                 http://www.cppcns.com }
              }

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          2.2、迭代器 Key编程客栈Set

          @Test
              public void testKeySet() {
                  // 创建并赋值 HashMap
                  Map<Integer, String> map = new HashMap();
                  map.put(1, "Java");
                  map.put(2, "JDK");
                  map.put(3, "Spring Framework");
                  map.put(4, "MyBatis framework");
                  map.put(5, "Test KeySet");
                  // 遍历
                  Iterator<Integer> iterator = map.keySet().iterator();
                  while (iterator.hasNext()) {
                      Integer key = iterator.next();
                      System.out.println(key + ":" + map.get(key));
                  }
              }

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          2.3、ForEachEntrySet

          @Test
              public void testForEachEntrySet() {
                  // 创建并赋值 HashMap
                  Map<Integer, String> map = new HashMap();
                  map.put(1, "Java");
                  map.put(2, "JDK");
                  map.put(3, "Spring Framework");
                  map.put(4, "MyBatis framework");
                  map.put(5, "Test ForEach EntrySet");
                  // 遍历
                  for (Map.Entry<Integer, String> entry : map.entrySet()) {
                      System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
                  }
              }

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          2.4、ForEach KeySet

          @Test
              public void testForEachKeySet() {
                  // 创建并赋值 HashMap
                  Map<Integer, String> map = new HashMap();
                  map.put(1, "Java");
                  map.put(2, "JDK");
                  map.put(3, "Spring Framework");
                  map.put(4, "MyBatis framework");
                  map.put(5, "Test ForEach KeySet");
                  // 遍历
                  for (Integer key : map.keySet()) {
                      System.out.println(key + ":" + map.get(key));
                  }
              }

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          2.5、Lambda

          @Test
              public void testLambda() {
                  // 创建并赋值 HashMap
                  Map<Integer, String> map = new HashMap();
                  map.put(1, "Java");
                  map.put(2, "JDK");
                  map.put(3, "Spring Framework");
                  map.put(4, "MyBatis framework");
                  map.put(5, "Test Lambda");
                  // 遍历
                  map.forEach((key, value) -> {
                      System.out.println(key + ":" + value);
                  });
              }

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          2.6、Streams API 单线程

          @Test
              public void testStreamApi() {
                  // 创建并赋值 HashMap
                  Map<Integer, String> map = new HashMap();
                  map.put(1, "Java");
                  map.put(2, "JDK");
                  map.put(3, "Spring Framework");
                  map.put(4, "MyBatis framework");
                  map.put(5, "Test Stream API");
                  // 遍历
                  map.entrySet().stream().forEach((entry) -> {
                      System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
                  });
              }

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          2.7、Streams API 多线程

          @Test
              public void testParallelStreamApi() {
                  // 创建并赋值 HashMap
                  Map<Integer, String> map = new HashMap();
                  map.put(1, "Java");
                  map.put(2, "JDK");
                  map.put(3, "Spring Framework");
                  map.put(4, "MyBatis framework");
                  map.put(5, "Test Parallel Stream API");
                  // 遍历
                  map.entrySet().parallelStream().forEach((entry) -> {
                      System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue());
                  });
              }

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          三、性能分析

          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。

          首先我们需要引入JMH框架,本次构建依赖使用工具为Gradle,引入配置如下:

          implementation "org.openjdk.jmh:jmh-core:1.23"

          implementation "org.openjdk.jmh:jmh-generator-annprocess:1.23"

          如果使用Maven,可引入如下配置:

          <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jmh/jmh-core -->
          <dependency>
              <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
              <artifactId>jmh-core</artifactId>
              <version>1.23</version>
          </dependency>
          <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jmh/jmh-generator-annprocess -->
          <dependency>
              <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
              <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>
              <version>1.23</version>
              <scope>provided</scope>
          </dependency>

          编写性能测试代码如下:

          //@BenchmarkMode(Mode.Throughput) // 测试类型:吞吐量
          @BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 测试类型:平均消耗时间
          //@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
          @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
          @Warmup(iterations = 4, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 预热 4 轮,每次 1s
          @Measurement(iterations = 10, time = 3, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 测试 10 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 HashMapTest {
          
              static Map<Integer, String> map = new HashMap() {
                  {
                      for(int var1 = 0; var1 < 2; ++var1) {
                          this.put(var1, "Kevin:" + var1);
                      }
          
                  }
              };
          
              public static void main(String[] args) throws RunnerException {
                  // 启动基准测试
                  Optiwww.cppcns.comons opt = new OptionsBuilder()
                          .include(HashMapTest.class.getSimpleName()) // 要导入的测试类
                          .output("E:/IDEAWorkSpaces/Test/src/main/java/com/kevin/performance/jmh-map2.log") // 输出测试结果的文件
                          .build();
                  new Runner(opt).run(); // 执行测试
              }
          
              /**
               * Iterator遍历 entrySet
               */
              @Benchmark
              public void entrySet() {
                  // 遍历
                  Iterator<Map.Entry<Integer, String>> iterator = map.entrySet().iterator();
                  while (iterator.hasNext()) {
                      Map.Entry<Integer, String> entry = iterator.next();
                      Integer k = entry.getKey();
                      String v = entry.getValue();
                  }
              }
          
              /**
               * Foreach遍历 entrySet
               */
              @Benchmark
              public void forEachEntrySet() {
                  // 遍历
                  for (Map.Entry<Integer, String> entry : map.entrySet()) {
                      Integer k = entry.getKey();
                      String v = entry.getValue();
                  }
              }
          
              /**
               * Iterator遍历 keySet
               */
              @Benchmark
              public void keySet() {
                  Iterator<Integer> iterator = map.keySet().iterator();
                  while (iterator.hasNext()) {
                      Integer k = iterator.next();
                      String v = map.get(k);
                  }
              }
          
              /**
               * Foreach遍历 keySet
               */
              @Benchmark
              public void forEachKeySet() {
                  for (Integer key : map.keySet()) {
                      Integer k = key;
                      String v = map.get(k);
                  }
              }
          
              /**
               * Lambda遍历
               */
              @Benchmark
              public void lambda() {
                  map.forEach((key, value) -> {
                      Integer k = key;
                      String v = value;
                  });
              }
          
              /**
               * 单线程遍历
               */
              @Benchmark
              public void streamApi() {
                  map.entrySet().stream().forEach((entry) -> {
                      Integer k = entry.getKey();
                      String v = entry.getValue();
                  });
              }
          
              /**
               * 多线程遍历
               */
              public void parallelStreamApi() {
                  map.entrySet().parallelStream().forEach((entry) -> {
                      Integer k = entry.getKey();
                      String v = entry.getValue();
                  });
              }
          }

          所有被添加了@Benchmark注解的方法都会被测试(由于 parallelStream 为多线程版本性能一定由于其他单线程,故不参与本次测试),测试结果如下:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          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

          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。

          四、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:

          public class HashMapTest {
              static Map<Integer, String> map = new HashMap() {
                  {
                      for(int var1 = 0; var1 < 2; ++var1) {
                          this.put(var1, "Kevin:" + var1);
                      }
                  }
              };
          
              public HashMapTest() {
              }
          
              public static void main(String[] var0) {
                  entrySet();
                  keySet();
                  forEachEntrySethttp://www.cppcns.com();
                  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() + ":" + (String)var1.getValue());
                  }
              }
          
              public static void keySet() {
                  Iterator var0 = map.keySet().iterator();
          
                  while(var0.hasNext()) {
                      Integer var1 = (Integer)var0.next();
                      System.out.println(var1 + ":" + (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() + ":" + (String)var1.getValue());
                  }
              }
          
              public static void forEachKeySet() {
                  Iterator var0 = map.keySet().iterator();
          
                  while(var0.hasNext()) {
                      Integer var1 = (Integer)var0.next();
                      System.out.println(var1 + ":" + (String)map.get(var1));            
                  }
              }
          
              public static void lambda() {
                  map.forEach((var0, var1) -> {
                      System.out.println(var0 + ":" + var1);            
                  });
              }
          
              public static void streamApi() {
                  map.entrySet().stream().forEach((var0) -> {
                      System.out.println(var0.getKey() + ":" + (String)var0.getValue());
                  });
              }
          
              public static void parallelStreamApi() {
                  map.entrySet().parallelStream().forEach((var0) -> {
                      System.out.println(var0.getKey() + ":" + (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 ,代码如下:
          
          public static void entrySet() {
              Iterator var0 = map.entrySet().iterator();
              while(var0.hasNext()) {
                  Entry var1 = (Entry)var0.next();
                  System.out.println(var1.getKey() + ":" + (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() + ":" + (String)var1.getValue());
              }
          }
          //而 KeySet 的代码也是类似的,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 + ":" + (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 + ":" + (String)map.get(var1));
              }
          }

          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:

          public static void entrySet() {
              Iterator var0 = map.entrySet().iterator();
              while(var0.hasNext()) {
                  Entry var1 = (Entry)var0.next();
                  System.out.println(var1.getKey() + ":" + (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() + ":" + (String)var1.getValue());
              }
          }

          KeySet的代码也是类似的,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 + ":" + (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 + ":" + (String)map.get(var1));
              }
          }

          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。

          五、EntrySet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。

          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keyvalue值都放入到了Entry对象中,因此再获取keyvalue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。

          六、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。

          6.1、迭代器方式

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

          运行结果:

          show:0

          del:1

          show:2

          测试结果:迭代器中循环删除数据安全。

          6.2、For 循环方式

          for (Map.Entry<Integer, String> 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());
              }
          }

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          测试结果:For 循环中删除数据非安全。

          6.3、Lambda 方式

          map.forEach((key, value) -> {
              if (key == 1) {
                  System.out.println("del:" + key);
                  map.remove(key);
              } else {
                  System.out.println("show:" + key);
              }
          });

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          测试结果:Lambda 循环中删除数据非安全。

          Lambda 删除的正确方式:

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

          运行结果:

          show:0

          show:2

          从上面的代码可以看出,可以先使用LambdaremoveIf删除多余的数据,再进行循环是一种正确操作集合的方式。

          6.4、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());
              }
          });

          运行结果:

          浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析

          测试结果:Stream 循环中删除数据非安全。

          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());
              }
          });

          运行结果:

          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。

          6.5、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。

          七、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。

          以上就是浅谈HashMap中7种遍历方式的性能分析的详细内容,更多关于HashMap 遍历性能分析的资料请关注我们其它相关文章!

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