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HashMap 的 7 种遍历方式与性能分析

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Bruce Duan
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发布于: 2020 年 05 月 02 日
HashMap 的 7 种遍历方式与性能分析

HashMap 遍历从大的方向来说,可分为一下 4 类:

1、迭代器(Iterator)方式;

2、foreach 方式;

3、lambda 表达式(JDK 1.8+);

4、Streams API(JDK 1.8+);

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一下 7 种:

1、使用迭代器(Iterator)EntrySet 的方式;

2、使用迭代器(Iterator)KeySet 的方式;

3、使用 foreach EntrySet 的方式;

4、使用 foreach KeySet 的方式;

5、使用 lambda 表达式的方式;

6、使用 StreamsAPI 单线程的方式;

7、使用 StreamsAPI 多线程的方式;

接下来来看每种遍历方式的具体实现代码:


一、迭代器 EntrySet

public class HashMapTest {    public static void main(String[] args) {        // 创建并赋值 HashMap        Map<Integer, String> map = new HashMap();        map.put(1, "Java");        map.put(2, "JDK");        map.put(3, "Spring");        map.put(4, "MyBatis");        // 遍历        Iterator<Map.Entry<Integer, String>> iterator = map.entrySet().iterator();        while (iterator.hasNext()) {            Map.Entry<Integer, String> entry = iterator.next();            System.out.print(entry.getKey());            System.out.print(entry.getValue());        }    }}
复制代码

以上程序的执行结果为:

1 Java 2 JDK 3 Spring 4 MyBatis



二、迭代器 KeySet

public class HashMapTest {    public static void main(String[] args) {        // 创建并赋值 HashMap        Map<Integer, String> map = new HashMap();        map.put(1, "Java");        map.put(2, "JDK");        map.put(3, "Spring");        map.put(4, "MyBatis");        // 遍历        Iterator<Integer> iterator = map.keySet().iterator();        while (iterator.hasNext()) {            Integer key = iterator.next();            System.out.print(key);            System.out.print(map.get(key));        }    }}
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以上程序的执行结果为:

1 Java 2 JDK 3 Spring 4 MyBatis


三、foreach EntrySet


public class HashMapTest {    public static void main(String[] args) {        // 创建并赋值 HashMap        Map<Integer, String> map = new HashMap();        map.put(1, "Java");        map.put(2, "JDK");        map.put(3, "Spring");        map.put(4, "MyBatis");        // 遍历        for (Map.Entry<Integer, String> entry : map.entrySet()) {            System.out.print(entry.getKey());            System.out.print(entry.getValue());        }    }}
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以上程序的执行结果为:

1 Java 2 JDK 3 Spring 4 MyBatis



四、foreach KeySet

public class HashMapTest {    public static void main(String[] args) {        // 创建并赋值 HashMap        Map<Integer, String> map = new HashMap();        map.put(1, "Java");        map.put(2, "JDK");        map.put(3, "Spring");        map.put(4, "MyBatis");        // 遍历        for (Integer key : map.keySet()) {            System.out.print(key);            System.out.print(map.get(key));        }    }}
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以上程序的执行结果为:

1 Java 2 JDK 3 Spring 4 MyBatis


五、lambda

public class HashMapTest {    public static void main(String[] args) {        // 创建并赋值 HashMap        Map<Integer, String> map = new HashMap();        map.put(1, "Java");        map.put(2, "JDK");        map.put(3, "Spring");        map.put(4, "MyBatis");        // 遍历        map.forEach((key, value) -> {            System.out.print(key);            System.out.print(value);        });    }}
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以上程序的执行结果为:

1 Java 2 JDK 3 Spring 4 MyBatis


六、StreamsAPI 单线程

public class HashMapTest {    public static void main(String[] args) {        // 创建并赋值 HashMap        Map<Integer, String> map = new HashMap();        map.put(1, "Java");        map.put(2, "JDK");        map.put(3, "Spring");        map.put(4, "MyBatis");        // 遍历        map.entrySet().stream().forEach((entry) -> {            System.out.print(entry.getKey());            System.out.print(entry.getValue());        });    }}
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以上程序的执行结果为:

1 Java 2 JDK 3 Spring 4 MyBatis



七、StreamsAPI 多线程

public class HashMapTest {    public static void main(String[] args) {        // 创建并赋值 HashMap        Map<Integer, String> map = new HashMap();        map.put(1, "Java");        map.put(2, "JDK");        map.put(3, "Spring");        map.put(4, "MyBatis");        // 遍历        map.entrySet().parallelStream().forEach((entry) -> {            System.out.print(entry.getKey());            System.out.print(entry.getValue());        });    }}
复制代码


以上程序的执行结果为:

4 MyBatis 1 Java 2 JDK 3 Spring


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:

<!-- 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></dependency>
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然后编写测试代码,如下所示:

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;
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 测试类型:每次执行时间@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<Integer, String> map = new HashMap() {{ // 添加数据 for (int i = 0; i < 10; i++) { 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("/Users/admin/Desktop/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<Map.Entry<Integer, String>> iterator = map.entrySet().iterator(); while (iterator.hasNext()) { Map.Entry<Integer, String> entry = iterator.next(); System.out.println(entry.getKey()); System.out.println(entry.getValue()); } }
@Benchmark public void keySet() { // 遍历 Iterator<Integer> 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<Integer, String> 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()); }); }}
复制代码

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差别不大。可以在自己电脑上测试一下(本人电脑很次)执行时间会有差异但 parallelStream 一定是最快的。

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<Integer, String> 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()); }); }}
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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());    }}
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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));    }}
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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。

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());    }}
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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

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());    }}
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以上程序的执行结果:


测试结果:for 循环中删除数据非安全

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);    }});
复制代码

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:

// 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);});
复制代码


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

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());    }});
复制代码

以上程序的执行结果:

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());    }});
复制代码

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 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,然而选择哪一种形式的写法,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

最后,欢迎各位在评论区补充并留言,写出你们的想法。


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Bruce Duan

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做最好版本的自己 2020.05.01 加入

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评论 (2 条评论)

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请问,如何得出“并行循环的 parallelStream 性能比极高”的结论?单位不是ops/ms吗?
2020 年 05 月 06 日 09:24
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不好意思,部分错误已更新,请查看
2020 年 05 月 06 日 13:44
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