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 @Override
14 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 else
5 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 runs
18 * to maintain stack invariant.
19 */
20 ComparableTimSort ts = new ComparableTimSort(a, work, workBase, workLen);
21 int minRun = minRunLength(nRemaining);
22 do {
23 // Identify next run
24 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 merge
34 ts.pushRun(lo, runLen);
35 ts.mergeCollapse();
36
37 // Advance to find next run
38 lo += runLen;
39 nRemaining -= runLen;
40 } while (nRemaining != 0);
41
42 // Merge all remaining runs to complete sort
43 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 { // Ascending
13 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 else
22 left = mid + 1;
23 }
24 assert left == right;
25
26 /*
27 * The invariants still hold: pivot >= all in [lo, left) and
28 * pivot < all in [left, start), so pivot belongs at left. Note
29 * that if there are elements equal to pivot, left points to the
30 * 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 move
34 // Switch is just an optimization for arraycopy in default case
35 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 @Override
3 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) { // Descending
10 while (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) < 0)
11 runHi++;
12 reverseRange(a, lo, runHi);
13 } else { // Ascending
14 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。
