Antes de mais nada é preciso considerar que muitos testes de desempenho estão errados. Fazer um micribenchmark não é tão simples quando executar os três códigos por diversos fatores internos e externos:
- Outros programas executando em segundo plano pode interferir diferentemente nos testes.
- Com vários testes numa mesma execução, um pode afetar os demais. Por exemplo, o primeiro teste pode ter instanciado elementos e o Garbage Collector é executado somente no segundo teste.
- O teste pode não refletir um contexto real de uso. No seu exemplo, você não inclui o acesso ao elemento. Como a resposta do Ricardo já mencionou, o gargalo de um laço
for
ouwhile
usado para percorrer uma lista (List
) pode estar no métodoget()
, que faz verificação do índice acessado e então precisa recuperar o elemento do vetor interno. Entretanto, não posso concordar com a resposta dele, porque oIterator
também usa internamente o métodoget()
. - A JVM faz otimizações tanto no bytecode quanto durante a execução, podendo variar conforme a versão.
- O resultado varia grandemente para diferentes tipos de
Collection
s. Esta resposta no SOEN diz não haver diferenças significativas.
O seu teste é muito parecido com este benchmark. Sem o acesso aos elementos, o resultado obtido pelo autor foi:
For each loop :: 110 ms
Using collection.size() :: 37 ms
Using [int size = list.size(); int j = 0; j < size ; j++] :: 4 ms
Using [int j = list.size(); j > size ; j--] :: 1 ms
Em resumo, um laço decrementando a variável é o mais rápido neste cenário e isso provavelmente se deve ao fato de que comparar uma variável a zero é mais eficiente.
O site Mkiong também produziu um benchmark. O resultado:
Entretanto, isso foi muito questionado. Veja os comentários para ver que pessoas diferentes obtiveram resultados diferentes em diferentes plataformas e com pequenas modificações no código.
Ao considerar a quantidade de código executado, o Iterator
realmente parece ser o menos eficiente. Veja o código dos métodos next()
e hasNext()
do Iterator
usado no ArrayList
, extraídos do JDK 6:
public E next() {
checkForComodification();
try {
E next = get(cursor);
lastRet = cursor++;
return next;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
}
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
Note que os métodos size()
e get()
da lista são chamados de qualquer forma. Não existe uma mágica para recuperar o próximo elemento. Além disso, é feita uma verificação se a lista foi modificada por outro método. Ainda bem que isso é feito apenas comparando-se dois inteiros, mas a chamada ao método e a comparação acabam tendo algum impacto.
Enfim, através de uma análise estática, podemos afirmar que um laço for
usando uma variável auxiliar (i
) e um valor limite fixo, isto é, sem chamar size()
a cada iteração é mais eficiente.
Na prática, porém, o cenário pode mudar drasticamente se o programador ficar com "preguiça" de atribuir o elemento a uma variável. Quem nunca viu algo como o exemplo abaixo?
for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
if (list.get(i) != null) {
list.get(i).metodo();
}
}
Outro fator que pode mudar muito é se não usarmos o ArrayList
. O LinkedList
, por exemplo, possui complexidade O(n)
para encontrar um elemento qualquer, pois ele precisa percorrer os elementos um a um até encontrar o elemento desejado.
E pensando ainda na qualidade de um software como um todo e não apenas na perspectiva do desempenho, laços for..each
tem a grande vantagem de serem mais "limpos" (menos digitação, mais fácil entendimento) e menos propenso a erros (estouro de limite, iniciar contador em 1 ao invés de zero e assim por diante).
Outra observação importante, pensando na questão de desempenho, é que os maiores gargalos estão no acesso aleatório aos dados e na própria definição da estrutura de dados. Embora alguns considerem exagero a preocupação com esses detalhes, a verdade é que faz muita diferença escolher as estruturas adequadas para armazenar os dados. O conceito de que memória e CPU são "baratos" cai por terra assim que começamos a lidar com mais do que alguns milhares de registros, por exemplo. A escolha dos comandos para percorrer a estrutura definida vem como consequência das decisões já tomadas.
A conclusão é que não existe um laço definitivamente mais eficiente para todos os casos. A ênfase mais importante está em definir uma estrutura de dados adequados para cada caso, considerando o consumo de memória e a complexidade de acesso a um elemento específico daquela estrutura.