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8.7.5 决定实施方案

发布于 2024-10-15 23:56:20 字数 12384 浏览 0 评论 0 收藏 0

从早些时候的那幅示意图可以看出，实际上只有三个集合组件：Map，List 和 Set。而且每个接口只有两种或三种实施方案。若需使用由一个特定的接口提供的功能，如何才能决定到底采取哪一种方案呢？

为理解这个问题，必须认识到每种不同的实施方案都有自己的特点、优点和缺点。比如在那张示意图中，可以看到 Hashtable，Vector 和 Stack 的“特点”是它们都属于“传统”类，所以不会干扰原有的代码。但在另一方面，应尽量避免为新的（Java 1.2）代码使用它们。

其他集合间的差异通常都可归纳为它们具体是由什么“后推”的。换言之，取决于物理意义上用于实施目标接口的数据结构是什么。例如，ArrayList，LinkedList 以及 Vector（大致等价于 ArrayList）都实现了 List 接口，所以无论选用哪一个，我们的程序都会得到类似的结果。然而，ArrayList（以及 Vector）是由一个数组后推得到的；而 LinkedList 是根据常规的双重链接列表方式实现的，因为每个单独的对象都包含了数据以及指向列表内前后元素的句柄。正是由于这个原因，假如想在一个列表中部进行大量插入和删除操作，那么 LinkedList 无疑是最恰当的选择（LinkedList 还有一些额外的功能，建立于 AbstractSequentialList 中）。若非如此，就情愿选择 ArrayList，它的速度可能要快一些。

作为另一个例子，Set 既可作为一个 ArraySet 实现，亦可作为 HashSet 实现。ArraySet 是由一个 ArrayList 后推得到的，设计成只支持少量元素，特别适合要求创建和删除大量 Set 对象的场合使用。然而，一旦需要在自己的 Set 中容纳大量元素，ArraySet 的性能就会大打折扣。写一个需要 Set 的程序时，应默认选择 HashSet。而且只有在某些特殊情况下（对性能的提升有迫切的需求），才应切换到 ArraySet。

1. 决定使用何种 List

为体会各种 List 实施方案间的差异，最简便的方法就是进行一次性能测验。下述代码的作用是建立一个内部基础类，将其作为一个测试床使用。然后为每次测验都创建一个匿名内部类。每个这样的内部类都由一个 test() 方法调用。利用这种方法，可以方便添加和删除测试项目。

//: ListPerformance.java
// Demonstrates performance differences in Lists
package c08.newcollections;
import java.util.*;

public class ListPerformance {
  private static final int REPS = 100;
  private abstract static class Tester {
    String name;
    int size; // Test quantity
    Tester(String name, int size) { 
      this.name = name;
      this.size = size;
    }
    abstract void test(List a);
  }
  private static Tester[] tests = {
    new Tester("get", 300) { 
      void test(List a) {
        for(int i = 0; i < REPS; i++) {
          for(int j = 0; j < a.size(); j++)
            a.get(j);
        }
      }
    },
    new Tester("iteration", 300) { 
      void test(List a) {
        for(int i = 0; i < REPS; i++) {
          Iterator it = a.iterator();
          while(it.hasNext())
            it.next();
        }
      }
    },
    new Tester("insert", 1000) { 
      void test(List a) {
        int half = a.size()/2;
        String s = "test";
        ListIterator it = a.listIterator(half);
        for(int i = 0; i < size * 10; i++)
          it.add(s);
      }
    },
    new Tester("remove", 5000) { 
      void test(List a) {
        ListIterator it = a.listIterator(3);
        while(it.hasNext()) {
          it.next();
          it.remove();
        }
      }
    },
  };
  public static void test(List a) {
    // A trick to print out the class name:
    System.out.println("Testing " + 
      a.getClass().getName());
    for(int i = 0; i < tests.length; i++) {
      Collection1.fill(a, tests[i].size);
      System.out.print(tests[i].name);
      long t1 = System.currentTimeMillis();
      tests[i].test(a);
      long t2 = System.currentTimeMillis();
      System.out.println(": " + (t2 - t1));
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    test(new ArrayList());
    test(new LinkedList());
  }
} ///:~

内部类 Tester 是一个抽象类，用于为特定的测试提供一个基础类。它包含了一个要在测试开始时打印的字串、一个用于计算测试次数或元素数量的 size 参数、用于初始化字段的一个构建器以及一个抽象方法 test()。test() 做的是最实际的测试工作。各种类型的测试都集中到一个地方：tests 数组。我们用继承于 Tester 的不同匿名内部类来初始化该数组。为添加或删除一个测试项目，只需在数组里简单地添加或移去一个内部类定义即可，其他所有工作都是自动进行的。

首先用元素填充传递给 test() 的 List，然后对 tests 数组中的测试计时。由于测试用机器的不同，结果当然也会有所区别。这个程序的宗旨是揭示出不同集合类型的相对性能比较。下面是某一次运行得到的结果：

类型 获取 反复 插入 删除

ArrayList 110 270 1920 4780

LinkedList 1870 7580 170 110

可以看出，在 ArrayList 中进行随机访问（即 get()）以及循环反复是最划得来的；但对于 LinkedList 却是一个不小的开销。但另一方面，在列表中部进行插入和删除操作对于 LinkedList 来说却比 ArrayList 划算得多。我们最好的做法也许是先选择一个 ArrayList 作为自己的默认起点。以后若发现由于大量的插入和删除造成了性能的降低，再考虑换成 LinkedList 不迟。

2. 决定使用何种 Set

可在 ArraySet 以及 HashSet 间作出选择，具体取决于 Set 的大小（如果需要从一个 Set 中获得一个顺序列表，请用 TreeSet；注释⑧）。下面这个测试程序将有助于大家作出这方面的抉择：

//: SetPerformance.java
package c08.newcollections;
import java.util.*;

public class SetPerformance {
  private static final int REPS = 200;
  private abstract static class Tester {
    String name;
    Tester(String name) { this.name = name; }
    abstract void test(Set s, int size);
  }
  private static Tester[] tests = {
    new Tester("add") { 
      void test(Set s, int size) {
        for(int i = 0; i < REPS; i++) {
          s.clear();
          Collection1.fill(s, size);
        }
      }
    },
    new Tester("contains") { 
      void test(Set s, int size) {
        for(int i = 0; i < REPS; i++)
          for(int j = 0; j < size; j++)
            s.contains(Integer.toString(j));
      }
    },
    new Tester("iteration") { 
      void test(Set s, int size) {
        for(int i = 0; i < REPS * 10; i++) {
          Iterator it = s.iterator();
          while(it.hasNext())
            it.next();
        }
      }
    },
  };
  public static void test(Set s, int size) {
    // A trick to print out the class name:
    System.out.println("Testing " + 
      s.getClass().getName() + " size " + size);
    Collection1.fill(s, size);
    for(int i = 0; i < tests.length; i++) {
      System.out.print(tests[i].name);
      long t1 = System.currentTimeMillis();
      tests[i].test(s, size);
      long t2 = System.currentTimeMillis();
      System.out.println(": " + 
        ((double)(t2 - t1)/(double)size));
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    // Small:
    test(new TreeSet(), 10);
    test(new HashSet(), 10);
    // Medium:
    test(new TreeSet(), 100);
    test(new HashSet(), 100);
    // Large:
    test(new HashSet(), 1000);
    test(new TreeSet(), 1000);
  }
} ///:~

⑧：TreeSet 在本书写作时尚未成为一个正式的特性，但在这个例子中可以很轻松地为其添加一个测试。

最后对 ArraySet 的测试只有 500 个元素，而不是 1000 个，因为它太慢了。

类型 测试大小 添加 包含 反复

Type

Test size

Add

Contains

Iteration

 

10

22.0

11.0

16.0

TreeSet

100

22.5

13.2

12.1

 

1000

31.1

18.7

11.8

 

10

5.0

6.0

27.0

HashSet

100

6.6

6.6

10.9

 

1000

7.4

6.6

9.5

进行 add() 以及 contains() 操作时，HashSet 显然要比 ArraySet 出色得多，而且性能明显与元素的多寡关系不大。一般编写程序的时候，几乎永远用不着使用 ArraySet。

3. 决定使用何种 Map

选择不同的 Map 实施方案时，注意 Map 的大小对于性能的影响是最大的，下面这个测试程序清楚地阐示了这一点：

//: MapPerformance.java
// Demonstrates performance differences in Maps
package c08.newcollections;
import java.util.*;

public class MapPerformance {
  private static final int REPS = 200;
  public static Map fill(Map m, int size) {
    for(int i = 0; i < size; i++) {
      String x = Integer.toString(i);
      m.put(x, x);
    }
    return m;
  }
  private abstract static class Tester {
    String name;
    Tester(String name) { this.name = name; }
    abstract void test(Map m, int size);
  }
  private static Tester[] tests = {
    new Tester("put") { 
      void test(Map m, int size) {
        for(int i = 0; i < REPS; i++) {
          m.clear();
          fill(m, size);
        }
      }
    },
    new Tester("get") { 
      void test(Map m, int size) {
        for(int i = 0; i < REPS; i++)
          for(int j = 0; j < size; j++)
            m.get(Integer.toString(j));
      }
    },
    new Tester("iteration") { 
      void test(Map m, int size) {
        for(int i = 0; i < REPS * 10; i++) {
          Iterator it = m.entries().iterator();
          while(it.hasNext())
            it.next();
        }
      }
    },
  };
  public static void test(Map m, int size) {
    // A trick to print out the class name:
    System.out.println("Testing " + 
      m.getClass().getName() + " size " + size);
    fill(m, size);
    for(int i = 0; i < tests.length; i++) {
      System.out.print(tests[i].name);
      long t1 = System.currentTimeMillis();
      tests[i].test(m, size);
      long t2 = System.currentTimeMillis();
      System.out.println(": " + 
        ((double)(t2 - t1)/(double)size));
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    // Small:
    test(new Hashtable(), 10);
    test(new HashMap(), 10);
    test(new TreeMap(), 10);
    // Medium:
    test(new Hashtable(), 100);
    test(new HashMap(), 100);
    test(new TreeMap(), 100);
    // Large:
    test(new HashMap(), 1000);
    test(new Hashtable(), 1000);
    test(new TreeMap(), 1000);
  }
} ///:~

由于 Map 的大小是最严重的问题，所以程序的计时测试按 Map 的大小（或容量）来分割时间，以便得到令人信服的测试结果。下面列出一系列结果（在你的机器上可能不同）：

类型 测试大小 置入 取出 反复

Type

Test size

Put

Get

Iteration

 

10

11.0

5.0

44.0

Hashtable

100

7.7

7.7

16.5

 

1000

8.0

8.0

14.4

 

10

16.0

11.0

22.0

TreeMap

100

25.8

15.4

13.2

 

1000

33.8

20.9

13.6

 

10

11.0

6.0

33.0

HashMap

100

8.2

7.7

13.7

 

1000

8.0

7.8

11.9

即使大小为 10，ArrayMap 的性能也要比 HashMap 差——除反复循环时以外。而在使用 Map 时，反复的作用通常并不重要（get() 通常是我们时间花得最多的地方）。TreeMap 提供了出色的 put() 以及反复时间，但 get() 的性能并不佳。但是，我们为什么仍然需要使用 TreeMap 呢？这样一来，我们可以不把它作为 Map 使用，而作为创建顺序列表的一种途径。树的本质在于它总是顺序排列的，不必特别进行排序（它的排序方式马上就要讲到）。一旦填充了一个 TreeMap，就可以调用 keySet() 来获得键的一个 Set“景象”。然后用 toArray() 产生包含了那些键的一个数组。随后，可用 static 方法 Array.binarySearch() 快速查找排好序的数组中的内容。当然，也许只有在 HashMap 的行为不可接受的时候，才需要采用这种做法。因为 HashMap 的设计宗旨就是进行快速的检索操作。最后，当我们使用 Map 时，首要的选择应该是 HashMap。只有在极少数情况下才需要考虑其他方法。

此外，在上面那张表里，有另一个性能问题没有反映出来。下述程序用于测试不同类型 Map 的创建速度：

//: MapCreation.java
// Demonstrates time differences in Map creation
package c08.newcollections;
import java.util.*;

public class MapCreation {
  public static void main(String[] args) {
    final long REPS = 100000;
    long t1 = System.currentTimeMillis();
    System.out.print("Hashtable");
    for(long i = 0; i < REPS; i++)
      new Hashtable();
    long t2 = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(": " + (t2 - t1));
    t1 = System.currentTimeMillis();
    System.out.print("TreeMap");
    for(long i = 0; i < REPS; i++)
      new TreeMap();
    t2 = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(": " + (t2 - t1));
    t1 = System.currentTimeMillis();
    System.out.print("HashMap");
    for(long i = 0; i < REPS; i++)
      new HashMap();
    t2 = System.currentTimeMillis();
    System.out.println(": " + (t2 - t1));
  }
} ///:~

在写这个程序期间，TreeMap 的创建速度比其他两种类型明显快得多（但你应亲自尝试一下，因为据说新版本可能会改善 ArrayMap 的性能）。考虑到这方面的原因，同时由于前述 TreeMap 出色的 put() 性能，所以如果需要创建大量 Map，而且只有在以后才需要涉及大量检索操作，那么最佳的策略就是：创建和填充 TreeMap；以后检索量增大的时候，再将重要的 TreeMap 转换成 HashMap——使用 HashMap(Map) 构建器。同样地，只有在事实证明确实存在性能瓶颈后，才应关心这些方面的问题——先用起来，再根据需要加快速度。

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