通過本文，你可以更深入的學習 Java 語言中 forEach 語法的知識，以及它和 C 語言形式的 for 迴圈、 Steam API 的對比。

簡介

Java 程式設計師經常使用容器，比如 ArrayList 和 HashSet。Java 8 中的 lambda 語法和 steaming API 可以讓我們更方便的使用容器。大部分情況下，我們僅僅處理幾千個元素，也不會去考慮效能問題。但是，在一些極端場景下，如果我們需要遍歷上百萬個元素，效能問題就凸顯出來了。

本文將採用 JMH 計算每塊程式碼的執行時間。

forEach vs. C Style vs. Stream API

遍歷是一個基本的功能。所有程式語言都提供了簡單的語法，讓程式設計師去遍歷容器。

Steam API 以一種非常直接的形式來遍歷容器。

public List<Integer> streamSingleThread(BenchMarkState state){
   List<Integer> result = new ArrayList<>(state.testData.size());
   state.testData.stream().forEach(item -> {
       result.add(item);
   });
   return result;
}
public List<Integer> streamMultiThread(BenchMarkState state){
   List<Integer> result = new ArrayList<>(state.testData.size());
   state.testData.stream().parallel().forEach(item -> {
       result.add(item);
   });
   return result;
}
 

forEach 迴圈也很簡單：

public List<Integer> forEach(BenchMarkState state){
 List<Integer> result = new ArrayList<>(state.testData.size());
 for(Integer item : state.testData){
   result.add(item);
 }
 return result;
}

C 語言形式的 for 迴圈囉嗦一些，不過依然很緊湊：

public List<Integer> forCStyle(BenchMarkState state){
 int size = state.testData.size();
 List<Integer> result = new ArrayList<>(size);
 for(int j = 0; j < size; j ++){
   result.add(state.testData.get(j));
 }
 return result;
}
 

以下是效能報告：

Benchmark                               Mode  Cnt   Score   Error  Units
TestLoopPerformance.forCStyle           avgt  200  18.068 ± 0.074  ms/op
TestLoopPerformance.forEach             avgt  200  30.566 ± 0.165  ms/op
TestLoopPerformance.streamMultiThread   avgt  200  79.433 ± 0.747  ms/op
TestLoopPerformance.streamSingleThread  avgt  200  37.779 ± 0.485  ms/op

使用 C 語言形式的 for 迴圈，JVM 每次僅僅增加一個數字，然後直接從記憶體裡讀出資料。這使得它非常迅速。但是 forEach 就大不一樣，根據 StackOverFlow 的這篇回答（https://stackoverflow.com/questions/85190/how-does-the-java-for-each-loop-work/85206#85206），和 Oracle 的文章（https://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/language/foreach.html），JVM 需要把 forEach 轉換成一個 iterator，然後每個元素都呼叫一次 hasNext() 方法。這就是 forEach 比 C 語言的形式慢一些的原因。

哪一個是遍歷 Set 最高效的方法呢？

我們先定義測試資料集：

@State(Scope.Benchmark)
public static class BenchMarkState {

   public Set<Integer> testData = new HashSet<>(500000);

   @Setup(Level.Trial)
   public void doSetup() {
       for(int i = 0; i < 500000; i++){
           testData.add(Integer.valueOf(i));
       }
   }

   @TearDown(Level.Trial)
   public void doTearDown() {
       testData = new HashSet<>(500000);
   }

}

Java 中的 Set 也支援 Steam API 和 forEach 迴圈。參考之前的測試，如果我們把 Set 轉換成 ArrayList，然後遍歷 ArrayList，或許效能會好一些？

public List<Integer> forCStyle(BenchMarkState state){
   int size = state.testData.size();
   List<Integer> result = new ArrayList<>(size);
   Integer[] temp = (Integer[]) state.testData.toArray(new Integer[size]);
   for(int j = 0; j < size; j ++){
       result.add(temp[j]);
   }
   return result;
}

如果把 iterator 和 C 語言形式結合起來呢？

public List<Integer> forCStyleWithIteration(BenchMarkState state){
   int size = state.testData.size();
   List<Integer> result = new ArrayList<>(size);
   Iterator<Integer> iteration = state.testData.iterator();
   for(int j = 0; j < size; j ++){
       result.add(iteration.next());
   }
   return result;

}

或者，簡單的遍歷怎麼樣？

public List<Integer> forEach(BenchMarkState state){
   List<Integer> result = new ArrayList<>(state.testData.size());
   for(Integer item : state.testData) {
       result.add(item);
   }
   return result;
}

這個主意不錯，不過它的效率也不高，因為初始化一個新的 ArrayList 同樣需要消耗資源。

Benchmark                                   Mode  Cnt  Score   Error  Units
TestLoopPerformance.forCStyle               avgt  200  6.013 ± 0.108  ms/op
TestLoopPerformance.forCStyleWithIteration  avgt  200  4.281 ± 0.049  ms/op
TestLoopPerformance.forEach                 avgt  200  4.498 ± 0.026  ms/op

HashMap (使用 HashMap<E,Object> 的 HashSet) 不是為遍歷所有元素設計的。遍歷一個 HashMap 最快的方法是把 Iterator 和 C 語言形式結合起來，這樣 JVM 就不會去呼叫 hasNext()。

結論

Foreach 和 Steam API 用來處理集合是很方便的。你可以更快的寫程式碼。不過，如果你的系統很穩定，效能是一個主要的考量，你應該考慮一下重寫你的迴圈。