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。

public class Student implements Comparable<Student> {

    private int age;

    public Student(int age) {
        this.age = age;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    @Override
    public int compareTo(Student student) {  // 重写compareTo方法

        return (this.age < student.age) ? -1 : ((this.age == student.age) ? 0 : 1);
    }


    public static void main(String[] args) {
        List<Student> stuList = new ArrayList();
        stuList.add(new Student(5));
        stuList.add(new Student(3));
        stuList.add(new Student(7));
        stuList.add(new Student(2));
        stuList.add(new Student(4));
        stuList.add(new Student(6));
        stuList.add(new Student(1));

        Collections.sort(stuList);  // 调用排序方法

        for (Student student : stuList) {
            System.out.println(student.getAge());
        }
    }
}

原理分析：

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

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

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。

   default void sort(Comparator<? super E> c) {
        Object[] a = this.toArray();
        Arrays.sort(a, (Comparator) c);
        ListIterator<E> i = this.listIterator();
        for (Object e : a) {
            i.next();
            i.set((E) e);
        }
    }

那到底时在哪里调用的compareTo方法的呢？

进入Arrays.sort()方法：

    public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) {
        if (c == null) {
            sort(a);
        } else {
            if (LegacyMergeSort.userRequested)
                legacyMergeSort(a, c);
            else
                TimSort.sort(a, 0, a.length, c, null, 0, 0);
        }
    }

没有制定比较器，因此c==null为true，执行sort(a)方法：

public static void sort(Object[] a) {
        if (LegacyMergeSort.userRequested)
            legacyMergeSort(a);
        else
            ComparableTimSort.sort(a, 0, a.length, null, 0, 0);
    }

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：

    static void sort(Object[] a, int lo, int hi, Object[] work, int workBase, int workLen) {
        assert a != null && lo >= 0 && lo <= hi && hi <= a.length;

        int nRemaining  = hi - lo;
        if (nRemaining < 2)
            return;  // Arrays of size 0 and 1 are always sorted

        // If array is small, do a "mini-TimSort" with no merges
        if (nRemaining < MIN_MERGE) {
            int initRunLen = countRunAndMakeAscending(a, lo, hi);
            binarySort(a, lo, hi, lo + initRunLen);
            return;
        }

        /**
         * March over the array once, left to right, finding natural runs,
         * extending short natural runs to minRun elements, and merging runs
         * to maintain stack invariant.
         */
        ComparableTimSort ts = new ComparableTimSort(a, work, workBase, workLen);
        int minRun = minRunLength(nRemaining);
        do {
            // Identify next run
            int runLen = countRunAndMakeAscending(a, lo, hi);

            // If run is short, extend to min(minRun, nRemaining)
            if (runLen < minRun) {
                int force = nRemaining <= minRun ? nRemaining : minRun;
                binarySort(a, lo, lo + force, lo + runLen);
                runLen = force;
            }

            // Push run onto pending-run stack, and maybe merge
            ts.pushRun(lo, runLen);
            ts.mergeCollapse();

            // Advance to find next run
            lo += runLen;
            nRemaining -= runLen;
        } while (nRemaining != 0);

        // Merge all remaining runs to complete sort
        assert lo == hi;
        ts.mergeForceCollapse();
        assert ts.stackSize == 1;
    }

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：

    private static int countRunAndMakeAscending(Object[] a, int lo, int hi) {
        assert lo < hi;
        int runHi = lo + 1;
        if (runHi == hi)
            return 1;

        // Find end of run, and reverse range if descending
        if (((Comparable) a[runHi++]).compareTo(a[lo]) < 0) { // Descending
            while (runHi < hi && ((Comparable) a[runHi]).compareTo(a[runHi - 1]) < 0)
                runHi++;
            reverseRange(a, lo, runHi);
        } else {                              // Ascending
            while (runHi < hi && ((Comparable) a[runHi]).compareTo(a[runHi - 1]) >= 0)
                runHi++;
        }

        return runHi - lo;
    }

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：

private static void binarySort(Object[] a, int lo, int hi, int start) {
        assert lo <= start && start <= hi;
        if (start == lo)
            start++;
        for ( ; start < hi; start++) {
            Comparable pivot = (Comparable) a[start];

            // Set left (and right) to the index where a[start] (pivot) belongs
            int left = lo;
            int right = start;
            assert left <= right;
            /*
             * Invariants:
             *   pivot >= all in [lo, left).
             *   pivot <  all in [right, start).
             */
            while (left < right) {
                int mid = (left + right) >>> 1;
                if (pivot.compareTo(a[mid]) < 0)
                    right = mid;
                else
                    left = mid + 1;
            }
            assert left == right;

            /*
             * The invariants still hold: pivot >= all in [lo, left) and
             * pivot < all in [left, start), so pivot belongs at left.  Note
             * that if there are elements equal to pivot, left points to the
             * first slot after them -- that's why this sort is stable.
             * Slide elements over to make room for pivot.
             */
            int n = start - left;  // The number of elements to move
            // Switch is just an optimization for arraycopy in default case
            switch (n) {
                case 2:  a[left + 2] = a[left + 1];
                case 1:  a[left + 1] = a[left];
                         break;
                default: System.arraycopy(a, left, a, left + 1, n);
            }
            a[left] = pivot;
        }
    }

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。

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

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：

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

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

default void sort(Comparator<? super E> c) {
    Object[] a = this.toArray();
    Arrays.sort(a, (Comparator) c);
    ListIterator<E> i = this.listIterator();
    for (Object e : a) {
        i.next();
        i.set((E) e);
    }
}

Arrays.sort方法调用TimSort.sort()方法，代码如下：

public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) {
        if (c == null) {
            sort(a);
        } else {
            if (LegacyMergeSort.userRequested)
                legacyMergeSort(a, c);
            else
                TimSort.sort(a, 0, a.length, c, null, 0, 0);
        }
    }

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。

private static <T> int countRunAndMakeAscending(T[] a, int lo, int hi,
                                                    Comparator<? super T> c) {
        assert lo < hi;
        int runHi = lo + 1;
        if (runHi == hi)
            return 1;

        // Find end of run, and reverse range if descending
        if (c.compare(a[runHi++], a[lo]) < 0) { // Descending
            while (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) < 0)
                runHi++;
            reverseRange(a, lo, runHi);
        } else {                              // Ascending
            while (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) >= 0)
                runHi++;
        }

        return runHi - lo;
    }

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。