Java最佳实践– Vector vs ArrayList vs HashSet

在使用Java编程语言时，我们将继续讨论与建议的实践有关的系列文章，我们将在三个最常用的Collection实现类之间进行性能比较。为了使事情变得更现实，我们将在多线程环境下进行测试，以讨论和演示如何将Vector ， ArrayList和/或HashSet用于高性能应用程序。

所有讨论的主题均基于用例，这些用例来自于电信行业的关键任务超高性能生产系统的开发。

在阅读本文的每个部分之前，强烈建议您参考相关的Java API文档以获取详细信息和代码示例。

所有测试均针对具有以下特征的Sony Vaio进行：

系统：openSUSE 11.1（x86_64）
处理器（CPU）：Intel（R）Core（TM）2 Duo CPU T6670 @ 2.20GHz
处理器速度：1,200.00 MHz
总内存（RAM）：2.8 GB
Java：OpenJDK 1.6.0_0 64位

应用以下测试配置：

并发工作线程数：50
每个工作人员测试重复次数：100
整体测试次数：100

向量vs ArrayList vs HashSet

Java开发人员必须执行的最常见任务之一是从Collections中存储和检索对象。 Java编程语言提供了一些具有重叠和独特特征的Collection实现类。 Vector ， ArrayList和HashSet可能是最常用的。

但是，使用Collection实现类（特别是在多线程环境中）可能会很棘手。默认情况下，它们中的大多数不提供同步访问。因此，以并行方式更改Collection的内部结构（插入或缩回元素）肯定会导致错误。

这里将要讨论的案例场景是通过上述每个Collection实现类的元素进行多个Thread的插入，缩回和迭代。我们将演示如何在多线程环境中正确利用上述集合实现类，并提供相关的性能比较表，以显示在每个测试用例中哪个性能更好。

为了进行票价比较，我们将假定不允许使用NULL元素，并且我们不介意Collections中元素的顺序。此外，由于矢量是唯一集合实现类我们的测试组提供了默认的同步访问，同步的ArrayList和HashSet的集合实现类将使用Collections.synchronizedList和Collections.synchronizedSet静态方法来实现。这些方法提供了指定Collection实现类的“包装”同步实例，如下所示：

列表syncList = Collections.synchronizedList（new ArrayList（））;
设置syncSet = Collections.synchronizedSet（new HashSet（））;

测试用例＃1 –在集合中添加元素

对于第一个测试用例，我们将有多个线程在每个Collection实现类中添加String元素。为了保持String元素之间的唯一性，我们将如下所示构造它们：

静态的第一部分，例如“ helloWorld”
工作线程ID，请记住，我们有50个并发运行的工作线程
worker线程测试重复次数，请记住，每个worker线程每次测试执行100次测试重复

对于每个测试运行，每个工作线程将插入100个String元素，如下所示：

对于第一次测试重复
- 工作线程1将插入String元素：“ helloWorld-1-1”
对于第二次测试重复
- 工作线程1将插入String元素：“ helloWorld-1-2”
等等...

在每次测试运行结束时，每个Collection实现类都将填充5000个不同的String元素。

下面我们展示了上述三个Collection实现类之间的性能比较表

横轴表示测试运行的次数，纵轴表示每次测试运行的每秒平均事务数（TPS）。因此，较高的值更好。如您所见，在向Vector和ArrayList Collection实现类添加元素时，它们的执行效果几乎相同。另一方面， HashSet Collection实现类的性能稍差，主要是由于内部结构和哈希生成机制更加复杂。

测试案例2 –从集合中删除元素

对于第二个测试用例，我们将有多个线程从每个Collection实现类中删除String元素。所有集合实现类都将使用来自先前测试用例的String元素进行预填充。为了删除元素，我们将为每个Collection实现类在所有工作线程之间利用共享的Iterator实例。对Iterator实例的同步访问也将实现。每个工作线程都将删除Collection实现类的下一个可用元素，并发出“ next（）”和“ remove（）” 迭代器操作（以避免ConcurrentModificationException ）。下面是上述测试用例的性能比较表。

横轴表示测试运行的次数，纵轴表示每次测试运行的每秒平均事务数（TPS）。因此，较高的值更好。同样，从中移除String元素时， Vector和ArrayList Collection实现类的性能几乎相同。另一方面， HashSet Collection实现类的性能远远优于Vector和ArrayList ，平均速度为678000 TPS。

在这一点上，我们必须指出，通过使用Vector和ArrayList Collection实现类的“ remove（0）”方法删除String元素，与使用同步共享Iterator实例相比，我们获得了更好的性能结果。我们之所以演示同步共享Iterator实例“ next（）”和“ remove（）”操作方法，是为了维持三个Collection实现类之间的票价比较。

重要的提醒

我们的测试用例场景要求我们从每个Collection实现类中删除第一个元素。尽管如此，我们必须指出，这对于Vector和ArrayList Collection实现类是最坏的情况。作为我们的读者之一，詹姆斯·沃森（James Watson）成功评论了TheServerSide的相关帖子

“ 原因是在ArrayList和Vecrtor上，如果删除了除最后一个元素以外的任何元素（最后一个元素是索引为：size – 1的元素），则remove（）方法将导致System.arraycopy（）调用。 删除第一个元素意味着将复制数组的整个其余部分，这是一个O（n）操作。 由于测试删除了列表中的所有元素，因此完整测试变为O（n ^ 2）（缓慢）。

HashSet remove不执行任何此类数组副本，因此它的删除时间为O（1）或恒定时间。 对于完整测试，则为O（n）（快速）。 如果重写测试以从ArrayList和Vector中删除最后一个元素，则性能可能与HashSet相似。 ”

因此，我们将再次进行此测试，从Vector和ArrayList Collection实现类中删除最后一个元素，因为我们假定Collections中元素的顺序并不重要。性能结果如下所示。

横轴表示测试运行的次数，纵轴表示每次测试运行的每秒平均事务数（TPS）。因此，较高的值更好。不出所料，从其中删除String元素时，所有Collection实现类的性能几乎相同。

测试案例＃3 –迭代器

对于第三个测试用例，我们将有多个工作线程在每个Collection实现类的元素上进行迭代。每个工作线程将使用Collection “ iterator（）”操作检索对Iterator实例的引用，并使用Iterator “ next（）”操作遍历所有可用的Collection元素。所有Collection实现类都将使用第一个测试用例的String值预先填充。下面是上述测试用例的性能比较表。

横轴表示测试运行的次数，纵轴表示每次测试运行的每秒平均事务数（TPS）。因此，较高的值更好。与ArrayList Collection实现类相比， Vector和HashSet Collection实现类的性能均较差。 Vector平均获得68 TPS，而HashSet平均获得9200 TPS。另一方面，到目前为止， ArrayList的性能优于Vector和HashSet ，平均速度为421000 TPS。

测试案例4 –添加和删除元素

对于我们的最终测试用例，我们将实现测试用例1和测试用例2场景的组合。一组辅助线程将向每个Collection实现类插入String元素，而另一组辅助线程将从其中撤回String元素。

在组合（添加和缩回元素）操作中，无法使用用于删除元素的同步共享Iterator实例方法。由于Collection的内部结构在不断变化，因此从单个Collection中同时添加和删除元素可避免使用共享的Iterator实例。对于Vector和ArrayList Collection实现类，可以通过使用“ remove（0）”操作来绕过上述限制，该操作将从Collection内部存储器中收回第一个元素。不幸的是， HashSet Collection实现类不提供此类功能。我们建议的使用HashSet Collection实现类为组合操作获得最大性能的方法如下：

使用两个不同的HashSet，一个用于添加元素，另一个用于撤回
实现一个“控制器” 线程，该线程将在“收回” HashSet为空时交换上述HashSet类的内容。 “控制器” 线程可以实现为常规TimerTask ，可以定期检查“缩回” HashSet的内容，并在需要时执行交换
交换两个HashSet时，应为“收回” HashSet创建一个共享的Iterator实例。
所有撤消元素的辅助线程应等待“撤消” HashSet充满元素并在交换后得到通知

以下是显示建议实施的代码段：

全球宣言：

Set<string> s = new HashSet<string>(); // The HashSet for retracting elements
Iterator<string> sIt = s.iterator(); // The shared Iterator for retracting elements
Set<string> sAdd = new HashSet<string>(); // The HashSet for adding new elements
Boolean read = Boolean.FALSE; // Helper Object for external synchronization and wait – notify functionality when retracting elements from the “s” HashSet
Boolean write = Boolean.FALSE; // Helper Object for external synchronization when writing elements to the “sAdd” HashSet

用于将元素添加到“ sAdd” HashSet的代码：

synchronized(write) {sAdd.add(“helloWorld” + "-" + threadId + "-" + count);
}

用于从“ s” HashSet中撤回元素的代码：

while (true) {synchronized (read) {try {sIt.next();sIt.remove();break;} catch (NoSuchElementException e) {read.wait();}}
}

“控制器”类代码：

public class Controller  extends TimerTask {public void run() {try {performSwap();} catch (Exception ex) {ex.printStackTrace();}}private void performSwap() throws Exception {synchronized(read) {if(s.isEmpty()) {synchronized(write) {if(!sAdd.isEmpty()) {Set<string> tmpSet;tmpSet = s;s = sAdd;sAdd = tmpSet;sIt = s.iterator();read.notifyAll();}}}}}}

最后，安排“控制器” TimerTask的代码

Timer timer = new Timer();
timer.scheduleAtFixedRate(new Controller(), 0, 1);

我们应该先启动“控制器”任务，然后再启动对相关HashSet进行读写的辅助线程。

请记住，对于Vector和ArrayList Collection实现类，我们使用了“ remove（0）”操作来收回元素。以下是上述Collection实现类的代码段：

while (true) {try {vector.remove(0);break;} catch (ArrayIndexOutOfBoundsException e) {}
}while (true) {try {syncList.remove(0);break;} catch (IndexOutOfBoundsException e) {}
}

下面是上述测试用例的添加部分的性能比较表。

以下是上述测试案例的收回部分的性能比较表。

横轴表示测试运行的次数，纵轴表示每次测试运行的每秒平均事务数（TPS）。因此，较高的值更好。 Vector和ArrayList Collection实现类在添加和撤消元素时的性能几乎相同。另一方面，对于元素添加测试用例，与Vector和ArrayList实现相比，我们建议的实现（带有“添加”和“缩回” HashSet对）的性能略逊一筹。但是，对于元素撤回测试用例，我们的“添加”和“撤回” HashSet对实现比Vector和ArrayList实现都要好，平均得分为6000 TPS。

快乐编码

贾斯汀

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