哪个更有效，for-each 循环还是迭代器？

Posted 2023-02-22

【中文标题】哪个更有效，for-each 循环还是迭代器？

【英文标题】：Which is more efficient, a for-each loop, or an iterator?

【发布时间】：2011-01-07 23:10:09

【问题描述】：

遍历集合的最有效方法是什么？

List<Integer>  a = new ArrayList<Integer>();
for (Integer integer : a) 
  integer.toString();

或

List<Integer>  a = new ArrayList<Integer>();
for (Iterator iterator = a.iterator(); iterator.hasNext();) 
   Integer integer = (Integer) iterator.next();
   integer.toString();

请注意，这不是 this、this、this 或 this 的完全重复，尽管最后一个问题的答案之一很接近。这不是骗局的原因是，其中大多数是比较循环，您在循环内调用 get(i)，而不是使用迭代器。

按照Meta 的建议，我将发布我对这个问题的答案。

【问题讨论】：

我认为它并没有什么不同，因为它的 Java 和模板机制只不过是语法糖

潜在重复：***.com/questions/89891/…

@OMG Ponies：我不相信这是重复的，因为它不会将循环与迭代器进行比较，而是询问为什么集合返回迭代器，而不是直接使用迭代器在课堂上。

【参考方案1】：

foreachunderhood 正在创建iterator，调用 hasNext() 并调用 next() 获取值；仅当您使用实现 RandomomAccess 的东西时，才会出现性能问题。

for (Iterator<CustomObj> iter = customList.iterator(); iter.hasNext())
   CustomObj custObj = iter.next();
   ....

基于迭代器的循环的性能问题是因为它是：

即使列表为空也分配对象 (Iterator<CustomObj> iter = customList.iterator();)； iter.hasNext() 在循环的每次迭代中都有一个 invokeInterface 虚拟调用（遍历所有类，然后在跳转前进行方法表查找）。 迭代器的实现必须至少进行 2 个字段查找，以使 hasNext() 调用图的值：#1 获取当前计数，#2 获取总计数 在主体循环内部，还有另一个invokeInterface 虚拟调用iter.next（所以：在跳转之前遍历所有类并进行方法表查找）并且还必须进行字段查找：#1 获取索引和# 2 获取对数组的引用以对其进行偏移（在每次迭代中）。

一个潜在的优化是使用缓存大小查找切换到index iteration：

for(int x = 0, size = customList.size(); x < size; x++)
  CustomObj custObj = customList.get(x);
  ...

我们有：

一个invokeInterface虚拟方法调用customList.size()在for循环初始创建时获取大小 在for循环体中调用get方法customList.get(x)，这是对数组的字段查找，然后可以对数组进行偏移

我们减少了大量的方法调用和字段查找。这是你不想用LinkedList 或不是RandomAccess 集合obj 的东西，否则customList.get(x) 会变成每次迭代都必须遍历LinkedList 的东西。

当您知道这是任何基于 RandomAccess 的列表集合时，这是完美的。

【参考方案2】：

foreach 在底层使用迭代器。它实际上只是语法糖。

考虑以下程序：

import java.util.List;
import java.util.ArrayList;

public class Whatever 
    private final List<Integer> list = new ArrayList<>();
    public void main() 
        for(Integer i : list) 
        
    

让我们用javac Whatever.java编译它， 并读取main()的反汇编字节码，使用javap -c Whatever：

public void main();
  Code:
     0: aload_0
     1: getfield      #4                  // Field list:Ljava/util/List;
     4: invokeinterface #5,  1            // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;
     9: astore_1
    10: aload_1
    11: invokeinterface #6,  1            // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z
    16: ifeq          32
    19: aload_1
    20: invokeinterface #7,  1            // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;
    25: checkcast     #8                  // class java/lang/Integer
    28: astore_2
    29: goto          10
    32: return

我们可以看到foreach 编译成一个程序：

使用List.iterator() 创建迭代器 如果Iterator.hasNext()：调用Iterator.next()并继续循环

---

至于“为什么这个无用的循环没有从编译后的代码中得到优化？我们可以看到它对列表项没有任何作用”：嗯，你可以编写你的迭代代码这样@ 987654333@ 有副作用，或者说.hasNext() 有副作用或有意义的后果。

您可以很容易地想象，表示来自数据库的可滚动查询的迭代可能会在 .hasNext() 上做一些戏剧性的事情（比如联系数据库，或者因为您已经到达结果集的末尾而关闭游标）。

因此，即使我们可以证明循环体中没有发生任何事情……但证明在我们迭代时没有发生任何有意义/后果性的事情会更加昂贵（难以处理？）。编译器必须将这个空循环体留在程序中。

我们所能期望的最好的结果就是编译器警告。有趣的是，javac -Xlint:all Whatever.java 确实没有警告我们这个空循环体。 IntelliJ IDEA 可以。诚然，我已将 IntelliJ 配置为使用 Eclipse 编译器，但这可能不是原因。

【参考方案3】：

Iterator 是 Java Collections 框架中的一个接口，它提供了遍历或迭代集合的方法。

当您的动机只是遍历集合以读取其元素时，迭代器和 for 循环的行为相似。

for-each 只是迭代集合的一种方式。

例如：

List<String> messages= new ArrayList<>();

//using for-each loop
for(String msg: messages)
    System.out.println(msg);


//using iterator 
Iterator<String> it = messages.iterator();
while(it.hasNext())
    String msg = it.next();
    System.out.println(msg);

for-each 循环只能用于实现迭代器接口的对象。

现在回到 for 循环和迭代器的例子。

当您尝试修改集合时，差异就出现了。在这种情况下，迭代器的效率更高，因为它具有快速故障属性。 IE。它在遍历下一个元素之前检查基础集合结构中的任何修改。如果发现任何修改，它将抛出 ConcurrentModificationException。

（注意：迭代器的此功能仅适用于 java.util 包中的集合类。它不适用于并发集合，因为它们本质上是故障安全的）

【讨论】：

您关于差异的说法不正确，for each 循环在水下也使用迭代器，因此具有相同的行为。

@Pault Wagland，我已经修改了我的答案，谢谢你指出错误

您的更新仍然不准确。您拥有的两个代码 sn-ps 由语言定义为相同。如果行为有任何差异，那就是实现中的错误。唯一的区别是您是否有权访问迭代器。

@Paul Wagland 即使您使用 for 每个使用迭代器的循环的默认实现，如果您尝试在并发操作期间使用 remove() 方法，它仍然会抛出异常。查看以下内容以获取更多信息here

使用 for each 循环，您无法访问迭代器，因此您无法对其调用 remove。但这不是重点，在您的回答中，您声称一个是线程安全的，而另一个不是。根据语言规范，它们是等价的，因此它们都只与底层集合一样线程安全。

【参考方案4】：

如果您只是在集合中徘徊以读取所有值，那么使用迭代器或新的 for 循环语法没有区别，因为新语法只是在水下使用迭代器。

但是，如果您指的是循环旧的“c 样式”循环：

for(int i=0; i<list.size(); i++) 
   Object o = list.get(i);

然后新的 for 循环或迭代器可能会更有效，具体取决于底层数据结构。原因是对于某些数据结构，get(i) 是 O(n) 操作，这使得循环成为 O(n²) 操作。传统的链表就是这种数据结构的一个例子。所有迭代器都有一个基本要求，即next() 应该是一个 O(1) 操作，使得循环 O(n)。

要验证新的 for 循环语法是否在水下使用了迭代器，请比较以下两个 Java sn-ps 生成的字节码。首先是for循环：

List<Integer>  a = new ArrayList<Integer>();
for (Integer integer : a)

  integer.toString();

// Byte code
 ALOAD 1
 INVOKEINTERFACE java/util/List.iterator()Ljava/util/Iterator;
 ASTORE 3
 GOTO L2
L3
 ALOAD 3
 INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.next()Ljava/lang/Object;
 CHECKCAST java/lang/Integer
 ASTORE 2 
 ALOAD 2
 INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.toString()Ljava/lang/String;
 POP
L2
 ALOAD 3
 INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.hasNext()Z
 IFNE L3

第二个，迭代器：

List<Integer>  a = new ArrayList<Integer>();
for (Iterator iterator = a.iterator(); iterator.hasNext();)

  Integer integer = (Integer) iterator.next();
  integer.toString();

// Bytecode:
 ALOAD 1
 INVOKEINTERFACE java/util/List.iterator()Ljava/util/Iterator;
 ASTORE 2
 GOTO L7
L8
 ALOAD 2
 INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.next()Ljava/lang/Object;
 CHECKCAST java/lang/Integer
 ASTORE 3
 ALOAD 3
 INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.toString()Ljava/lang/String;
 POP
L7
 ALOAD 2
 INVOKEINTERFACE java/util/Iterator.hasNext()Z
 IFNE L8

如您所见，生成的字节码实际上是相同的，因此使用任何一种形式都不会降低性能。因此，您应该选择最美观的循环形式，对于大多数人来说，这将是 for-each 循环，因为它的样板代码较少。

【讨论】：

我相信他说的恰恰相反，foo.get(i) 的效率可能会低很多。想想LinkedList。如果你在 LinkedList 的中间执行 foo.get(i)，它必须遍历所有先前的节点才能到达 i。另一方面，迭代器将保留底层数据结构的句柄，并允许您一次遍历一个节点。

不是什么大事，但for(int i; i < list.size(); i++) 样式循环也必须在每次迭代结束时评估list.size()，如果使用它，有时首先缓存list.size() 的结果会更有效。

实际上，对于 ArrayList 和所有其他实现 RandomAccess 接口的情况，原始陈述也是如此。 “C 风格”循环比基于迭代器的循环更快。 docs.oracle.com/javase/7/docs/api/java/util/RandomAccess.html

无论是 foreach 还是 desugar'd 版本，使用旧的 C 样式循环而不是迭代器方法的一个原因是垃圾。许多数据结构在调用 .iterator() 时会实例化一个新的迭代器，但是可以使用 C 风格的循环无分配地访问它们。这在某些高性能环境中可能很重要，在这些环境中，人们试图避免 (a) 命中分配器或 (b) 垃圾回收。

正如另一条评论，对于 ArrayLists，for(int i = 0 .... ) 循环比使用迭代器或 for (:) 方法快大约 2 倍，因此它确实取决于关于底层结构。顺便说一句，迭代 HashSets 也非常昂贵（比数组列表要多得多），所以要避免像瘟疫一样的东西（如果可以的话）。

【参考方案5】：

在使用集合时，我们应该避免使用传统的 for 循环。 我将给出的简单原因是 for 循环的复杂度为 O(sqr(n)) 量级，而 Iterator 甚至增强的 for 循环的复杂度仅为 O(n)。 所以它给出了性能差异.. 只需列出大约 1000 个项目并使用两种方式打印即可。并打印执行的时间差。您可以看到差异。

【讨论】：

请添加一些说明性示例来支持您的陈述。

@Chandan 抱歉，您写的内容有误。例如：std::vector 也是一个集合，但它的访问成本为 O(1)。所以传统的对向量的 for 循环只是 O(n)。我想你想说，如果底层容器的访问具有 O(n) 的访问成本，那么对于 std::list 来说，它的复杂性是 O(n^2)。在这种情况下使用迭代器会将成本降低到 O(n)，因为迭代器允许直接访问元素。

如果您进行时间差计算，请确保两个集合都已排序（或公平分布的随机未排序）并为每个集合运行两次测试并仅计算每个集合的第二次运行。用这个再次检查你的时间（它是关于为什么你需要运行两次测试的一个很长的解释）。您需要证明（可能使用代码）这是如何正确的。否则，据我所知，两者在性能方面是相同的，但不是能力。

【参考方案6】：

为了扩展 Paul 自己的答案，他已经证明了该特定编译器（可能是 Sun 的 javac？）上的字节码是相同的，但不同的编译器并不能保证生成相同的字节码，对吧？要了解两者之间的实际区别是什么，让我们直接进入源代码并查看 Java 语言规范，具体来说是 14.14.2, "The enhanced for statement"：

增强的for 语句等效于基本for 语句的形式：

for (I #i = Expression.iterator(); #i.hasNext(); ) 
    VariableModifiers(opt) Type Identifier = #i.next();    
    Statement 

换句话说，JLS 要求两者是等价的。理论上这可能意味着字节码的微小差异，但实际上增强的 for 循环需要：

调用.iterator()方法 使用.hasNext() 通过.next() 使局部变量可用

因此，换句话说，对于所有实际目的，字节码将是相同的，或几乎相同的。很难想象任何编译器实现会导致两者之间有任何显着差异。

【讨论】：

实际上，我所做的测试是使用 Eclipse 编译器进行的，但您的一般观点仍然成立。 +1

【参考方案7】：

区别不在于性能，而在于能力。当直接使用引用时，您对显式使用一种迭代器有更大的权力（例如 List.iterator() 与 List.listIterator()，尽管在大多数情况下它们返回相同的实现）。您还可以在循环中引用迭代器。这使您可以执行诸如从集合中删除项目之类的操作，而不会收到 ConcurrentModificationException。

例如

没关系：

Set<Object> set = new HashSet<Object>();
// add some items to the set

Iterator<Object> setIterator = set.iterator();
while(setIterator.hasNext())
     Object o = setIterator.next();
     if(o meets some condition)
          setIterator.remove();
     

---

这不是，因为它会抛出一个并发修改异常：

Set<Object> set = new HashSet<Object>();
// add some items to the set

for(Object o : set)
     if(o meets some condition)
          set.remove(o);
     

【讨论】：

这是非常正确的，即使它没有直接回答我给它 +1 的问题，因为它提供了信息，并回答了合乎逻辑的后续问题。

是的，我们可以使用 foreach 循环访问集合元素，但我们不能删除它们，但我们可以使用 Iterator 删除元素。