Analyse de la méthode de parcours de collection Java (principe de mise en œuvre, performances de l'algorithme, occasions applicables)_Compétences Javascript

Aperçu

Le langage Java fournit un ensemble de cadres de collecte de données, qui définissent certains types de données abstraits tels que List et Set. Chaque type de données abstrait a des implémentations spécifiques, et la couche inférieure adopte différentes méthodes d'implémentation, telles que ArrayList et LinkedList.

De plus, Java propose également plusieurs manières différentes de parcourir les collections de données. Les développeurs doivent clairement comprendre les caractéristiques, les situations applicables et les performances de chaque méthode de traversée sur différentes implémentations sous-jacentes. Analysons ce contenu en détail ci-dessous.

Comment les éléments de données sont-ils stockés en mémoire ?

Les éléments de données sont stockés en mémoire, et il existe deux méthodes de stockage principales :

1. Stockage séquentiel, accès aléatoire (accès direct) :

De cette manière, les éléments de données adjacents sont stockés dans des adresses mémoire adjacentes et l'adresse mémoire entière est continue. L'adresse mémoire peut être directement calculée en fonction de la position de l'élément et lue directement. La complexité temporelle moyenne de la lecture d'un élément à une position spécifique est O(1). Normalement, seules les collections implémentées sur la base de tableaux disposent de cette fonctionnalité. Java est représenté par ArrayList.

2. Stockage en chaîne, accès séquentiel :

De cette façon, chaque élément de données n'a pas besoin d'être dans une position adjacente dans la mémoire. Chaque élément de données contient l'adresse mémoire de son élément suivant. L'adresse mémoire ne peut pas être calculée directement en fonction de la position des éléments, les éléments ne peuvent être lus que dans l'ordre. La complexité temporelle moyenne de la lecture d'un élément à une position spécifique est O(n). Principalement représenté par des listes chaînées.

Représenté par LinkedList en Java.

Quelles sont les méthodes de traversée fournies en Java ?

1. Traditionnel pour le parcours de boucle, basé sur le compteur :

Le traverseur maintient un compteur en dehors de la collection, puis lit les éléments à chaque position dans l'ordre et s'arrête lorsque le dernier élément est lu. L'essentiel est de lire les éléments en fonction de leur position. Il s'agit également de la méthode de parcours de collection la plus primitive.

s'écrit :

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
list.get(i);
} 

2. Parcours de l'itérateur, Itérateur :

Iterator est à l'origine un modèle de conception d'OO. Son objectif principal est de protéger les caractéristiques des différentes collections de données et d'unifier l'interface pour parcourir les collections. En tant que langage OO, Java prend naturellement en charge le mode Itérateur dans les collections.

s'écrit :

Iterator iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
iterator.next();
}

3. Parcours de boucle foreach :

Les Shields ont explicitement déclaré les itérateurs et les compteurs.

Avantages : Le code est concis et moins sujet aux erreurs.

Inconvénients : il ne peut effectuer qu'un parcours simple et ne peut pas exploiter (supprimer, remplacer) la collecte de données pendant le processus de parcours.

s'écrit :

for (ElementType element : list) {
}

Quel est le principe de mise en œuvre de chaque méthode de parcours ?

1. Traditionnel pour le parcours de boucle, basé sur le compteur :

Le traverseur maintient un compteur en dehors de la collection, puis lit les éléments à chaque position dans l'ordre et s'arrête lorsque le dernier élément est lu. L'essentiel est de lire les éléments en fonction de leur position.

2. Parcours de l'itérateur, Itérateur :

Chaque collection de données spécifiquement implémentée doit généralement fournir un itérateur correspondant. Par rapport à la boucle for traditionnelle, Iterator élimine le compteur de parcours explicite. Par conséquent, un itérateur basé sur des collections stockées séquentiellement peut accéder directement aux données par position. L'implémentation normale d'Iterator basée sur des collections de stockage chaînées nécessite de sauvegarder la position actuelle parcourue. Déplacez ensuite le pointeur vers l’avant ou vers l’arrière en fonction de la position actuelle.

3. Parcours de boucle foreach :

D'après le bytecode décompilé, on peut constater que foreach est également implémenté en interne à l'aide d'Iterator, mais le compilateur Java génère ces codes pour nous.

Quelles sont les performances de chaque méthode de parcours pour différentes méthodes de stockage ?

1. Traditionnel pour le parcours de boucle, basé sur le compteur :

Parce qu'il est basé sur la position de l'élément, il est lu par position. Nous pouvons donc savoir que pour le stockage séquentiel, parce que la complexité temporelle moyenne de la lecture d'un élément à une position spécifique est O(1), la complexité temporelle moyenne du parcours de l'ensemble de la collection est O(n). Pour le stockage en chaîne, étant donné que la complexité temporelle moyenne de la lecture d'un élément à un emplacement spécifique est O(n), la complexité temporelle moyenne du parcours de l'ensemble de la collection est O(n2) (n au carré).

Code de lecture d'ArrayList par position : lecture directe par position d'élément.

transient Object[] elementData;
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
E elementData(int index) {
return (E) elementData[index];
} 

Code de lecture de LinkedList par position : A chaque fois il faut lire à rebours en partant du 0ème élément. En fait, il a également procédé à de petites optimisations en interne.

transient int size = 0;
transient Node<E> first;
transient Node<E> last;
public E get(int index) {
checkElementIndex(index);
return node(index).item;
}
Node<E> 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<E> 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<E> 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."<init>":()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."<init>":()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。
}

以上所述是小编给大家介绍的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！