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Java 核心知识专栏系列笔记，系统性学习可访问个人复盘笔记-技术博客 Java 核心知识 (opens new window)
# 一、前言
本节内容主要研究 for、foreach 循环的底层实现原理，再比较两种实现方式的性能。最后通过 RandomAccess 接口说明 JDK 让我们怎么去识别集合是否支持随机访问。
随机访问表示，像数组那样，随便给定一个下标我们就可以访问内存的数据。而链式结构的存储只能顺序遍历各个链表节点访问。
# 二、for 循环底层实现
for 循环是对数值型数据出栈、改变值、比较的过程。
public void foriMethod() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
// ...
}
}
———— 转为字节码，部分关键字节码如下：
0 iconst_0 // 将 int 型 0 推送至栈顶
1 istore_1 // 将栈顶 int 型数值存入第二个本地变量
2 iload_1 // 将第二个 int 型本地变量推送至栈顶
3 bipush 10 // 将单字节的常量值 10 推送至栈顶
5 if_icmpge 14 (+9)// 比较栈顶两 int 型数值大小, 当结果大于等于 0 时跳转
8 iinc 1 by 1 // 将指定 int 型变量增加指定值，此处 +1
11 goto 2 (-9) // 无条件跳转至 计数器为 2 code，继续循环
14 return
# 三、foreach 循序底层实现
foreach 循环底层会把循环主体对象（实现了 Iterable 接口）转换为 Iterator 对象进行迭代器遍历。
public void foreachMethod(List<String> list) {
for (String s : list) {
}
}
// 等价于 for (Iterator i=list.iterator(); i.hasNext(); ) i.next();
———— 转为字节码，部分关键字节码如下：
0 aload_1 // 将第二个引用类型本地变量 (list) 推送至栈顶
1 invokeinterface #2 // 调用 iterator 方法 <java/util/List.iterator> count 1
6 astore_2 // 将栈顶引用型数值存入第三个本地变量
7 aload_2 // 将第三个引用类型本地变量推送至栈顶
8 invokeinterface #3 // 调用 Iterator.hasNext <java/util/Iterator.hasNext> count 1
13 ifeq 29 (+16) // 当栈顶 int 型数值等于 0 时跳转到 29 code
16 aload_2 // 将第三个引用类型本地变量推送至栈顶
17 invokeinterface #4 // 调用 Iterator.hasNext 方法返回当前取值对象 <java/util/Iterator.next> count 1
22 checkcast #5 // 强转为 <java/lang/String>
25 astore_3 // 将栈顶引用型数值存入第四个本地变量
26 goto 7 (-19) // 继续循环
29 return
# 四、foreach 与 for 性能比较
先下结论：
尽量使用 for 循环，开销比 foreach 低。
对于
(int i = 0; i < list.size(); i++)，长度尽量定义为变量，减少每次计算消耗。
—————————————————————————— foreach 生成字节码 ———————————————————————
for (String s : list) {}
0 aload_1
1 invokeinterface #2 <java/util/List.iterator> count 1
6 astore_2
7 aload_2
8 invokeinterface #3 <java/util/Iterator.hasNext> count 1
13 ifeq 29 (+16)
16 aload_2
17 invokeinterface #4 <java/util/Iterator.next> count 1
22 checkcast #5 <java/lang/String>
25 astore_3
26 goto 7 (-19)
—————————————————————————— for 生成字节码 —————————————————————————
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
String s = list.get(i);
}
29 iconst_0
30 istore_2
31 iload_2
32 aload_1
33 invokeinterface #6 // 此处可优化为一个变量 list.size()，减少每次方法调用（如果编译器足够智能可能进行标量替换）
38 if_icmpge 58 (+20)
41 aload_1
42 iload_2
43 invokeinterface #7 <java/util/List.get> count 2
48 checkcast #5 <java/lang/String>
51 astore_3
52 iinc 2 by 1
55 goto 31 (-24)
- 从字节码层面分析，发现 foreach 会生成 Iterator 对象，而且在调用时实时创建的。并且在整个迭代过程中，hasNext 方法处理逻辑比较复杂。
以 ArrayList 源码为例：
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr(); // 每次调用实时创建返回
}
// ArrayList.Itr 类中的 next 方法如下：
public E next() {
checkForComodification();
int i = cursor;
if (i >= size)
throw new NoSuchElementException();
Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
if (i >= elementData.length)
throw new ConcurrentModificationException();
cursor = i + 1;
return (E) elementData[lastRet = i];
}
- 如果我们用 for 时，只需要根据下标值，取对应的数据即可
public E get(int index) {
Objects.checkIndex(index, size);
return elementData(index);
}
# 五、RandomAccess 接口让我们尽量使用 for 循环
- RandomAccess 接口是干什么的？
public interface RandomAccess { }
我们可以看到这个接口没有任何实现，它仅仅起一个标识的作用，标识这个集合是否支持随机访问。类似于 Serializable, Cloneable。
- RandomAccess 接口有什么用？
举个例子：
List 接口有 ArrayList、LinkedList 两个实现。但是 LinkedList 底层是链表实现不支持随机访问，所以无法使用 for 循环，只能使用 foreach 循环遍历了。
public <T extends Object> void randomAccess(List<T> list) {
if (list instanceof RandomAccess) {
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
T t = list.get(i);
}
} else {
for (T t : list) {
System.out.println(t);
}
}
}
现在我们知道为什么 Set 接口没有实现 RandomAccess 接口了。这也是为什么 Set 不能通过下标取值的原因之一。
Set 底层一般通过 Map 集合的 Key 实现的。我们知道 Map 作为一个哈希表底层使用链表节点存储。因此不支持随机访问。这也是为什么 Set 没有
get(int index)方法的根本原因。