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浅析Collections.sort

问题引入

  在之前的一次Java上机实习中，老师布置了一道很简单的题:

从控制台输入10个整数，对它们进行升序排序并输出。

  考虑到只有10个数，需要比较的次数不是很多，所以当时我自己写了一段冒泡排序的算法然后就上交作业。交作业之后我突然想到一个问题：JDK是否有类似于STL中的std::sort方法，能实现基本的排序而无需用户自己实现？

Collections.sort简介

  第9版《Java核心技术卷Ⅰ》的第607页介绍了一个方法：

Collections类中的sort方法可以对实现了List接口的集合进行排序。这个方法假定列表元素实现了Comparable接口。

  查看Java官方文档可知，sort方法有两种重载形式。第一种重载是：

static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list)

  根据官方文档的描述，这个方法将列表元素进行升序排序，但是列表要满足以下条件：
  1.列表元素实现了Comparable接口，且任意两个列表元素都是可比的。
  2.列表必须支持set方法。
  如果要通过这个方法来完成我上面提到的作业，那显然是行得通的：整数可以进行相互比较，第一个条件满足；把10个整数放入一个ArrayList或LinkedList中，这两个列表都支持set方法，第二个条件满足。实现代码如下：

import java.util.*;
public class Sort {

    public static void main(String[] args) {
        
        Scanner scan = new Scanner(System.in);
        List<Integer> list = new ArrayList<>();          
        
        //用户输入10个整数
        System.out.println("请输入10个整数：");
        for(int i = 0; i < 10; i++)                      
        {
            list.add(scan.nextInt());
        }
        scan.close();
        
        //排序
        Collections.sort(list);
        
        //输出排序结果
       System.out.println(list);
    }

}

  程序运行结果如下：

 

用sort进行升序排序

  用sort方法可以很方便地实现升序排序，但能否进行降序排序？答案是肯定的，《Java核心技术卷Ⅰ》中介绍了一种用sort进行降序排序的简洁方法。这种方法需要用到sort方法的第二种重载形式：

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

  如果想采用其他方式进行排序，那么可将一个Comparator对象作为sort方法的第二个参数。当要进行逆序排序时，最简便的方法是将Collections.reverseOrder()作为第二个参数。

import java.util.*;
public class Sort {

    public static void main(String[] args) {
        
        Scanner scan = new Scanner(System.in);
        List<Integer> list = new ArrayList<>();          
        
        //用户输入10个整数
        System.out.println("请输入10个整数：");
        for(int i = 0; i < 10; i++)                      
        {
            list.add(scan.nextInt());
        }
        scan.close();
        
        //逆序排序
        Collections.sort(list,Collections.reverseOrder());
        
        //输出排序结果
        System.out.println(list);
    }

}

  程序运行结果如下：

 

用sort进行降序排序

更进一步：排序对象不是基本数据类型

  在上面的例子中，列表中的元素是整数，所以排序逻辑是很显然的：如果是升序排序，那就小数在前，大数在后。但是，如果排序的对象并非属于整数、浮点数之类的基本数据类型，那么这些对象之间的“大小”关系该如何定义？假设有这样一道题：

定义一个点类，其中有整型属性x和y，代表其坐标；除了这两个属性以外没有其他属性。随机产生10个点，并按照这些点与原点(0,0)之间的距离大小对点进行降序排序。

  如果仍想通过sort方法进行排序的话，首先点类就必须满足上面曾经提过的约束条件：点对象是可比的，因此点类必须实现Comparable接口。查看官方文档可知，Comparable接口中只有一个方法：

int compareTo(T o)

  调用这个方法的对象将会与参数o进行比较，小于o、等于o和大于o分别对应的返回值为负数、0和正数。对象之间相对大小的判断方法是自定义的，在这个问题中，就是通过比较各点与原点之间的距离来判断大小，所以点类的实现如下：

class Point implements Comparable<Point>{
    
    private int x;
    private int y;
    
    public Point(int x,int y)
    {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
    
    @Override
    //如果该点到原点的距离大于o点到原点的距离，则该点大于o点
    public int compareTo(Point o) {

        int distance1 = (this.x) * (this.x) + (this.y) * (this.y);
        int distance2 = (o.x) * (o.x) + (o.y) * (o.y);
        
        return (distance1 > distance2) ? 1 : ((distance1 == distance2) ? 0 : -1); 
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + x + ","+  y + ")";
    }
}

  因为要进行降序排序，所以可以通过将Collections.reverseOrder()作为sort方法的第二个参数来实现：

public class SortDemo {

    private static List<Point> list = new ArrayList<>();
    
    public static void main(String[] args) {
        
        //随机生成10个点
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            //点的坐标取值在[1,20]之间
            int x = (int)(Math.random() * 20) + 1;
            int y = (int)(Math.random() * 20) + 1;
            
            list.add(new Point(x,y));
        }
        System.out.print("排序前：");
        System.out.println(list);
        
        //降序排序
        Collections.sort(list,Collections.reverseOrder());
        
        System.out.print("排序后：");
        System.out.println(list);
    }

}

  程序结果如下：

 

对点进行降序排序

  现在对sort方法进行小结：

  实现了Comparable接口的类都可以用sort方法进行排序，默认的排序方法是升序；如果想进行降序排序，只需把Collections.reverseOrder作为第二个参数传给sort方法。

了解Comparator接口

  上面反复提到的Collections.reverseOrder方法返回的是一个Comparator对象。其实Comparator接口并不陌生，常用的equals方法就来自这个接口。Comparator接口用来定义两个对象之间的比较方法，它有一个叫做compare的方法，函数签名如下：

int compare(T o1,T o2)

   o1 > o2，返回正数；o1 = o2，返回0；o1 < o2，返回负数。
  从前面的例子可以看出，可以使用Comparator对象来控制sort的排序方法，这是如何实现的？查看sort方法的相关源码，我发现其中有这样一段代码：

 

sort方法的相关源码

  注意看图中用红线框起来的部分。经分析可知，这段代码实现了这样的逻辑：如果compare的返回值为正数，就交换进行比较的两个元素的位置。于是可以得出这样一个结论，如果让 x > y 时compare(x,y)返回正数，那么交换 x 和 y 的位置后大的元素在后，这就实现了升序排序；反之，如果让 x < y 时compare(x,y)返回正数，那么交换位置后小的元素在后，这就实现了降序排序。这就是Comparator对象控制排序方式的原理。

 

Comparator对象控制排序方式的原理

  通过Comparator对象来实现点对象的降序排序，一种可行的实现方式如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.Comparator;
import java.util.List;

//点类
class Point {
    
    private int x;
    private int y;
    
    public Point(int x,int y)
    {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
    
    public int getX() {
        return x;
    }

    public int getY() {
        return y;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + x + ","+  y + ")";
    }
}

public class SortDemo {

    private static List<Point> list = new ArrayList<>();
    
    public static void main(String[] args) {
        
        //随机生成10个点
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            //点的坐标取值在[1,20]之间
            int x = (int)(Math.random() * 20) + 1;
            int y = (int)(Math.random() * 20) + 1;
            
            list.add(new Point(x,y));
        }
        System.out.print("排序前：");
        System.out.println(list);
        
        //降序排序
        Collections.sort(list,new Comparator<Point>() {

            @Override
            //当 o1 < o2 时返回正数
            public int compare(Point o1, Point o2) {
                int distance1 = (o1.getX()) * (o1.getX()) + (o1.getY()) * (o1.getY());
                int distance2 = (o2.getX()) * (o2.getX()) + (o2.getY()) * (o2.getY());
                
                return (distance1 < distance2) ? 1 : ((distance1 == distance2) ? 0 : -1); 
            }
            
        });
        
        System.out.print("排序后：");
        System.out.println(list);
    }

}

  程序运行结果如下：

 

通过实现Comparator接口来进行降序排序

  注意，在上面的程序中Point类并没有实现Comparable接口，这是因为已经通过实现Comparator接口来定义Point对象的比较方法，所以也就无需实现Comparable接口。

作者：临江听雨客
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來源：简书
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