Java集合排序功能实现分析

Java如何实现集合的排序？

- 本文以对Student对象集合为例进行排序
Java通过Collections.sort(List<Student> stuList)和Collections.sort(List<Student> stuList,Comparator c)两种方法实现排序。

用Collections.sort(List list) 方法实现排序：

step1: 确保Student类实现了Comparable接口，并重写了compareTo()方法。

step2:调用Collections.sort(List list) 方法进行排序。

 1 public class Student implements Comparable<Student> { 2  3  private int age; 4  5  public Student(int age) { 6   this.age = age; 7  } 8  9  public int getAge() {10   return age;11  }12 13  @Override14  public int compareTo(Student student) { // 重写compareTo方法15 16   return (this.age < student.age) ? -1 : ((this.age == student.age) ? 0 : 1);17  }18 19 20  public static void main(String[] args) {21   List<Student> stuList = new ArrayList();22   stuList.add(new Student(5));23   stuList.add(new Student(3));24   stuList.add(new Student(7));25   stuList.add(new Student(2));26   stuList.add(new Student(4));27   stuList.add(new Student(6));28   stuList.add(new Student(1));29 30   Collections.sort(stuList); // 调用排序方法31 32   for (Student student : stuList) {33    System.out.println(student.getAge());34   }35  }36 }

原理分析：

step1: Collections类调用List.sort(Comparator c)方法，比较器c赋值为null.

1  public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list) {2   list.sort(null);3  }

step2: List接口中的sort方法将stuList集合转换成数组，通过Arrays.sort()方法对其进行排序，并将排序后的元素替换stuList中每个元素。

1 default void sort(Comparator<? super E> c) {2   Object[] a = this.toArray();3   Arrays.sort(a, (Comparator) c);4   ListIterator<E> i = this.listIterator();5   for (Object e : a) {6    i.next();7    i.set((E) e);8   }9  }

那到底时在哪里调用的compareTo方法的呢？

进入Arrays.sort()方法：

 1  public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) { 2   if (c == null) { 3    sort(a); 4   } else { 5    if (LegacyMergeSort.userRequested) 6     legacyMergeSort(a, c); 7    else 8     TimSort.sort(a, 0, a.length, c, null, 0, 0); 9   }10  }

没有制定比较器，因此c==null为true，执行sort(a)方法：

1 public static void sort(Object[] a) {2   if (LegacyMergeSort.userRequested)3    legacyMergeSort(a);4   else5    ComparableTimSort.sort(a, 0, a.length, null, 0, 0);6  }

LegacyMergeSort.userRequested默认为false，表示是否使用传统归并排序，传统归并排序在1.5及之前是默认排序方法，1.5之后默认执行ComparableTimSort.sort()方法。除非程序中强制要求使用传统归并排序。语句如下：

System.setProperty("java.util.Arrays.useLegacyMergeSort", "true"); 

所以继续看ComparableTimSort.sort()方法：

 1  static void sort(Object[] a, int lo, int hi, Object[] work, int workBase, int workLen) { 2   assert a != null && lo >= 0 && lo <= hi && hi <= a.length; 3  4   int nRemaining = hi - lo; 5   if (nRemaining < 2) 6    return; // Arrays of size 0 and 1 are always sorted 7  8   // If array is small, do a "mini-TimSort" with no merges 9   if (nRemaining < MIN_MERGE) {10    int initRunLen = countRunAndMakeAscending(a, lo, hi);11    binarySort(a, lo, hi, lo + initRunLen);12    return;13   }14 15   /**16    * March over the array once, left to right, finding natural runs,17    * extending short natural runs to minRun elements, and merging runs18    * to maintain stack invariant.19   */20   ComparableTimSort ts = new ComparableTimSort(a, work, workBase, workLen);21   int minRun = minRunLength(nRemaining);22   do {23    // Identify next run24    int runLen = countRunAndMakeAscending(a, lo, hi);25 26    // If run is short, extend to min(minRun, nRemaining)27    if (runLen < minRun) {28     int force = nRemaining <= minRun ? nRemaining : minRun;29     binarySort(a, lo, lo + force, lo + runLen);30     runLen = force;31    }32 33    // Push run onto pending-run stack, and maybe merge34    ts.pushRun(lo, runLen);35    ts.mergeCollapse();36 37    // Advance to find next run38    lo += runLen;39    nRemaining -= runLen;40   } while (nRemaining != 0);41 42   // Merge all remaining runs to complete sort43   assert lo == hi;44   ts.mergeForceCollapse();45   assert ts.stackSize == 1;46  }

line4的nRemaining表示没有排序的对象个数，方法执行前，如果这个数小于2，就不需要排序了。

如果2<= nRemaining <=32,即MIN_MERGE的初始值，表示需要排序的数组是小数组，可以使用mini-TimSort方法进行排序，否则需要使用归并排序。

mini-TimSort排序方法：先找出数组中从下标为0开始的第一个升序序列，或者找出降序序列后转换为升序重新放入数组，将这段升序数组作为初始数组，将之后的每一个元素通过二分法排序插入到初始数组中。注意，这里就调用到了我们重写的compareTo()方法了。

获取初始数组的方法：

 1  private static int countRunAndMakeAscending(Object[] a, int lo, int hi) { 2   assert lo < hi; 3   int runHi = lo + 1; 4   if (runHi == hi) 5    return 1; 6  7   // Find end of run, and reverse range if descending 8   if (((Comparable) a[runHi++]).compareTo(a[lo]) < 0) { // Descending 9    while (runHi < hi && ((Comparable) a[runHi]).compareTo(a[runHi - 1]) < 0)10     runHi++;11    reverseRange(a, lo, runHi);12   } else {        // Ascending13    while (runHi < hi && ((Comparable) a[runHi]).compareTo(a[runHi - 1]) >= 0)14     runHi++;15   }16 17   return runHi - lo;18  }

根据程序中举例，a[1].compareTo(a[0]) <0,所以向下循环查看a[2].compareTo(a[1]) <0、a[3].compareTo(a[2]) <0等等是否成立，我们发现a[2].compareTo(a[1]) <0不成立，所以循环终止，获取到最长的降序数组为a[]{5,3},再调用reverseRange()方法将其升序排列为a[]{3,5},作为初始数组，initRunLen=2。随后进行二分法插入操作，代码如下：

 1 private static void binarySort(Object[] a, int lo, int hi, int start) { 2   assert lo <= start && start <= hi; 3   if (start == lo) 4    start++; 5   for ( ; start < hi; start++) { 6    Comparable pivot = (Comparable) a[start]; 7  8    // Set left (and right) to the index where a[start] (pivot) belongs 9    int left = lo;10    int right = start;11    assert left <= right;12    /*13     * Invariants:14     * pivot >= all in [lo, left).15     * pivot < all in [right, start).16    */17    while (left < right) {18     int mid = (left + right) >>> 1;19     if (pivot.compareTo(a[mid]) < 0)20      right = mid;21     else22      left = mid + 1;23    }24    assert left == right;25 26    /*27     * The invariants still hold: pivot >= all in [lo, left) and28     * pivot < all in [left, start), so pivot belongs at left. Note29     * that if there are elements equal to pivot, left points to the30     * first slot after them -- that's why this sort is stable.31     * Slide elements over to make room for pivot.32    */33    int n = start - left; // The number of elements to move34    // Switch is just an optimization for arraycopy in default case35    switch (n) {36     case 2: a[left + 2] = a[left + 1];37     case 1: a[left + 1] = a[left];38       break;39     default: System.arraycopy(a, left, a, left + 1, n);40    }41    a[left] = pivot;42   }43  }

循环下标>=2的所有元素，通过二分法将其插入到初始数组中的适当位置，这样，通过调用元素的compareTo()方法进行排序的功能实现完毕。

用Collections.sort(List list，Comparator c) 方法实现排序：

该方法传入一个比较器，用于比较各元素的大小。该方法不需要元素实现Comparable接口，但需要一个实现Comparator接口的实现类来实例化一个比较器，注意，这里的Comparator是一个接口而非类。这里通常采用匿名内部类的方法。

1 Collections.sort(stuList, new Comparator<Student>() {2    @Override3    public int compare(Student stu1, Student stu2) {4     return (stu1.getAge() < stu2.getAge()) ? -1 : (stu1.getAge() == stu2.getAge() ? 0 : 1);5    }6   });

这种方法实现排序的方式与上述方法基本相同。

先调用Collections.sort()方法，传入集合和比较器，sort()方法调用List的sort方法，传入比较器。（同上step1）代码如下：

1  public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c) {2   list.sort(c);3  }

List中sort()方法调用Arrays.sort()方法，传入数组和比较器。（同上step2）

1 default void sort(Comparator<? super E> c) {2  Object[] a = this.toArray();3  Arrays.sort(a, (Comparator) c);4  ListIterator<E> i = this.listIterator();5  for (Object e : a) {6   i.next();7   i.set((E) e);8  }9 }

Arrays.sort方法调用TimSort.sort()方法，代码如下：

 1 public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) { 2   if (c == null) { 3    sort(a); 4   } else { 5    if (LegacyMergeSort.userRequested) 6     legacyMergeSort(a, c); 7    else 8     TimSort.sort(a, 0, a.length, c, null, 0, 0); 9   }10  }

legacyMergeSort(a,c)和TimSort.sort()方法中与方法一不同的地方只有一点，即方法一中使用a.compareTo(b)进行比较而方法二中使用comparator.compare(a,b)进行比较，其他均相同。

 1 private static <T> int countRunAndMakeAscending(T[] a, int lo, int hi, 2              Comparator<? super T> c) { 3   assert lo < hi; 4   int runHi = lo + 1; 5   if (runHi == hi) 6    return 1; 7  8   // Find end of run, and reverse range if descending 9   if (c.compare(a[runHi++], a[lo]) < 0) { // Descending10    while (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) < 0)11     runHi++;12    reverseRange(a, lo, runHi);13   } else {        // Ascending14    while (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) >= 0)15     runHi++;16   }17 18   return runHi - lo;19  }

总结：

1.Collections.sort()排序有两种实现方式，一是让元素类实现Comparable接口并覆盖compareTo()方法，二是给Collecitons.sort()方法传入比较器，通常采用匿名内部内的方式传入。

2.Collections.sort()通过调用Arrays.sort()方法进行排序，在Java1.6+中，如果集合大小<32则采用Tim-Sort算法，如果>=32则采用归并排序。

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原标题：Java集合排序功能实现分析

关键词：JAVA