ArrayList与LinkedList的普通for循环遍历

对于大部分Java程序员朋友们来说，可能平时使用得最多的List就是ArrayList，对于ArrayList的遍历，一般用如下写法：

public static void main(String[] args)
{
    List<Integer> arrayList = 
            new ArrayList<Integer>();
    
    for (int i = 0; i < 100; i++)
        arrayList.add(i);
    for (int i = 0; i < 100; i++)
        System.out.println(arrayList.get(i));
}

如果以后要用到LinkedList了，可能有些朋友就会用一样的方式去遍历LinkedList了：

public static void main(String[] args)
{
    List<Integer> linkedList = 
            new LinkedList<Integer>();
    
    for (int i = 0; i < 100; i++)
        linkedList.add(i);
    for (int i = 0; i < 100; i++)
        System.out.println(linkedList.get(i));
}

请记住：这是一种非常糟糕的做法。这其实已经不是Java的问题，而是数据结构的问题了，我相信语言从Java换成其他的也都一样。

下面对ArrayList和LinkedList的普通for循环效率进行测试以及分析原因。

ArrayList和LinkedList使用普通for循环遍历速度对比

先给出测试代码：

public class ArrayListAndLinkedList {
    
    private static final int LIST_SIZE = 1000;
    
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> arrayList = new ArrayList<Integer>();
        List<Integer> linkedList = new LinkedList<Integer>();
        
        for(int i = 0; i < LIST_SIZE; i++){
            arrayList.add(i);
            linkedList.add(i);
        }
        
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0; i < arrayList.size(); i++){
            arrayList.get(i);
        }
        System.out.println("ArrayList的for循环遍历速度：" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
        
        startTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0; i < linkedList.size(); i++){
            linkedList.get(i);
        }
        System.out.println("LinkedList的for循环遍历速度：" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
        
    }

不断增大LIST_SIZE，我用表格表示一下运行结果：

	1000	5000	10000	50000	100000
ArrayList	0ms	1ms	2ms	3ms	3ms
LinkedList	3ms	16ms	88ms	2446ms	18848ms

从运行结果我们看到，按倍数增大List容量，ArrayList的遍历显得比较稳定，而LinkedList的遍历几乎是爆发式的增长，再测试下去已经没有必要了。

下面解释一下产生此现象的原因。

ArrayList使用普通for循环遍历快的原因

先看一下ArrayList的get方法源代码：

public E get(int index) {
        rangeCheck(index);

        return elementData(index);
    }

看到ArrayList的get方法只是从数组里面拿一个位置上的元素罢了。我们有结论，ArrayList的get方法的时间复杂度是O(1)，O(1)的意思也就是说时间复杂度是一个常数，和数组的大小并没有关系，只要给定数组的位置，直接就能定位到数据。

其实熟悉C、C++或者对指针理解的朋友一定很好理解为什么，我解释一下为什么对数组使用get就快。

在计算机底层，数据都是有地址的，就像人有住址一样。假设我写了这么一句代码：

int[3] ints = {1, 3, 5};

在Java中一个int型数据是4个字节，此时计算机内部做的事情是，在内存空间中找到一块连续的、足以存放3个4字节也就是12字节的数组的内存空间，并返回该内存空间的首地址。比方说该内存空间的首地址是0x00吧，那么那么1就放在0x00~0x03中、3就放在0x04~0x07中、5就放在0x08~0x0B中。

这时就很简单了，取ints[1]的时候，计算机就会算出ints[1]的数据是存放在以0x04开头，占据4个字节空间的内存中，因此，计算机会从0x04~0x07这块地址空间中读取数据出来。

整个过程，和数组有多大，并没有关系，计算机做的只是算出起始地址-->去该地址中取数据而已，因此我们看到使用普通for循环遍历ArrayList的速度很快，也很稳定。

LinkedList使用普通for循环遍历慢的原因

再看一下LinkedList的get方法做了什么：

public E get(int index) {
        checkElementIndex(index);
        return node(index).item;
    }

Node<E> node(int index) {
        // assert isElementIndex(index);

        if (index < (size >> 1)) {
            Node<E> x = first;
            for (int i = 0; i < index; i++)
                x = x.next;
            return x;
        } else {
            Node<E> x = last;
            for (int i = size - 1; i > index; i--)
                x = x.prev;
            return x;
        }
    }

由于LinkedList是双向链表，因此第6行的意思是算出i在一半前还是一半后，一半前正序遍历、一半后倒序遍历，这样会快很多，当然，先不管这个，分析一下为什么使用普通for循环遍历LinkedList会这么慢。

原因就在第7~第8行，第10~第11行的两个for循里面，以前者为例：

1、get(0)，直接拿到0位的Node0的地址，拿到Node0里面的数据

2、get(1)，直接拿到0位的Node0的地址，从0位的Node0中找到下一个1位的Node1的地址，找到Node1，拿到Node1里面的数据

3、get(2)，直接拿到0位的Node0的地址，从0位的Node0中找到下一个1位的Node1的地址，找到Node1，从1位的Node1中找到下一个2位的Node2的地址，找到Node2，拿到Node2里面的数据。

后面的以此类推。

也就是说，LinkedList在get任何一个位置的数据的时候，都会把前面的数据走一遍。假如我有10个数据，那么将要查询1+2+3+4+5+5+4+3+2+1=30次数据，相比ArrayList，却只需要查询10次数据就行了，随着LinkedList的容量越大，差距会越拉越大。其实使用LinkedList到底要查询多少次数据，大家应该已经很明白了，来算一下：按照前一半算应该是（1 + 0.5N） * 0.5N / 2，后一半算上即乘以2，应该是（1 + 0.5N） * 0.5N ，忽略低阶项和首项系数，得出结论，LinikedList遍历的时间复杂度为O(N*N)，N为LinkedList的容量。

时间复杂度有以下经验规则：

O(1) < O(log₂N) < O(n) < O(N * log₂N) < O(N²) < O(N³) < 2N < 3N < N!

前四个比较好、中间两个一般、后3个很烂。也就是说O(N²)是相对糟糕的一种时间复杂度了，N大一点，程序就会执行得比较慢。

根据以上的分析，各位Java程序员朋友们，切记一定不要使用普通for循环去遍历LinkedList。使用迭代器或者foreach循环（foreach循环的原理就是迭代器）去遍历LinkedList即可，这种方式是直接按照地址去找数据的，将会大大提升遍历LinkedList的效率。

另注：LinkedList的遍历，因为它是双向链表，只是说index在前一半和后一半，分别采用正序遍历和倒序遍历以加快LinkedList的遍历速度。真正遍历的时候还是顺序的遍历，不会采用二分查找的。