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程序兵法:Java String 源码的排序算法(一)

简介: 这是泥瓦匠的第103篇原创 《程序兵法:Java String 源码的排序算法(一)》 文章工程: JDK 1.8 工程名:algorithm-core-learning # StringComparisonDemo 工程地址:https://github.com/JeffLi1993/algorithm-core-learning 一、前言 Q:什么是选择问题?选择问题,是假设一组 N 个数,要确定其中第 K 个最大值者。
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这是泥瓦匠的第103篇原创

《程序兵法:Java String 源码的排序算法(一)》

文章工程:

一、前言

Q:什么是选择问题?
选择问题,是假设一组 N 个数,要确定其中第 K 个最大值者。比如 A 与 B 对象需要哪个更大?又比如:要考虑从一些数组中找出最大项?

解决选择问题,需要对象有个能力,即比较任意两个对象,并确定哪个大,哪个小或者相等。找出最大项问题的解决方法,只要依次用对象的比较(Comparable)能力,循环对象列表,一次就能解决。

那么 JDK 源码如何实现比较(Comparable)能力的呢?

二、java.lang.Comparable 接口

file

Comparable 接口,从 JDK 1.2 版本就有了,历史算悠久。Comparable 接口强制了实现类对象列表的排序。其排序称为自然顺序,其 compareTo 方法,称为自然比较法。

该接口只有一个方法 public int compareTo(T o); ,可以看出

  • 入参 T o :实现该接口类,传入对应的要被比较的对象
  • 返回值 int:正数、负数和 0 ,代表大于、小于和等于

对象的集合列表(Collection List)或者数组(arrays) ,也有对应的工具类可以方便的使用:

  • java.util.Collections#sort(List) 列表排序
  • java.util.Arrays#sort(Object[]) 数组排序

那 String 对象如何被比较的?

三、String 源码中的算法

String 源码中可以看到 String JDK 1.0 就有了。那么应该是 JDK 1.2 的时候,String 类实现了 Comparable 接口,并且传入需要被比较的对象是 String。对象如图:

file

String 是一个 final 类,无法从 String 扩展新的类。从 114 行,可以看出字符串的存储结构是字符(Char)数组。先可以看看一个字符串比较案例,代码如下:


/**
 * 字符串比较案例
 *
 * Created by bysocket on 19/5/10.
 */
public class StringComparisonDemo {
    
    public static void main(String[] args) {
        String foo = "ABC";
        
        // 前面和后面每个字符完全一样,返回 0
        String bar01 = "ABC";
        System.out.println(foo.compareTo(bar01));
        
        // 前面每个字符完全一样,返回:后面就是字符串长度差
        String bar02 = "ABCD";
        String bar03 = "ABCDE";
        System.out.println(foo.compareTo(bar02)); // -1 (前面相等,foo 长度小 1)
        System.out.println(foo.compareTo(bar03)); // -2 (前面相等,foo 长度小 2)
        
        // 前面每个字符不完全一样,返回:出现不一样的字符 ASCII 差
        String bar04 = "ABD";
        String bar05 = "aABCD";
        System.out.println(foo.compareTo(bar04)); // -1  (foo 的 'C' 字符 ASCII 码值为 67,bar04 的 'D' 字符 ASCII 码值为 68。返回 67 - 68 = -1)
        System.out.println(foo.compareTo(bar05)); // -32 (foo 的 'A' 字符 ASCII 码值为 65,bar04 的 'a' 字符 ASCII 码值为 97。返回 65 - 97 = -32)
        
        String bysocket01 = "泥瓦匠";
        String bysocket02 = "瓦匠";
        System.out.println(bysocket01.compareTo(bysocket02));// -2049 (泥 和 瓦的 Unicode 差值)
    }
}

运行结果如下:

0
-1
-2
-1
-32
-2049

可以看出, compareTo 方法是按字典顺序比较两个字符串。具体比较规则可以看代码注释。比较规则如下:

  • 字符串的每个字符完全一样,返回 0
  • 字符串前面部分的每个字符完全一样,返回:后面就是两个字符串长度差
  • 字符串前面部分的每个字符存在不一样,返回:出现不一样的字符 ASCII 码的差值

    • 中文比较返回对应的 Unicode 编码值(Unicode 包含 ASCII)
    • foo 的 'C' 字符 ASCII 码值为 67
    • bar04 的 'D' 字符 ASCII 码值为 68。
    • foo.compareTo(bar04),返回 67 - 68 = -1
    • 常见字符 ASCII 码,如图所示

file

再看看 String 的 compareTo 方法如何实现字典顺序的。源码如图:

file

源码解析如下:

  • 第 1156 行:获取当前字符串和另一个字符串,长度较小的长度值 lim
  • 第 1161 行:如果 lim 大于 0 (较小的字符串非空),则开始比较
  • 第 1164 行:当前字符串和另一个字符串,依次字符比较。如果不相等,则返回两字符的 Unicode 编码值的差值
  • 第 1169 行:当前字符串和另一个字符串,依次字符比较。如果均相等,则返回两个字符串长度的差值

所以要排序,肯定先有比较能力,即实现 Comparable 接口。然后实现此接口的对象列表(和数组)可以通过 Collections.sort(和 Arrays.sort)进行排序。

还有 TreeSet 使用树结构实现(红黑树),集合中的元素进行排序。其中排序就是实现 Comparable 此接口

另外,如果没有实现 Comparable 接口,使用排序时,会抛出 java.lang.ClassCastException 异常。详细看《Java 集合:三、HashSet,TreeSet 和 LinkedHashSet比较》https://www.bysocket.com/archives/195

四、小结

上面也说到,这种比较其实有一定的弊端:

  • 默认 compareTo 不忽略字符大小写。如果需要忽略,则重新自定义 compareTo 方法
  • 无法进行二维的比较决策。比如判断 2 1 矩形和 3 3 矩形,哪个更大?
  • 比如有些类无法实现该接口。一个 final 类,也无法扩展新的类。其也有解决方案:函数对象(Function Object)

方法参数:定义一个没有数据只有方法的类,并传递该类的实例。一个函数通过将其放在一个对象内部而被传递。这种对象通常叫做函数对象(Funtion Object)

在接口方法设计中, T execute(Callback callback) 参数中使用 callback 类似。比如在 Spring 源码中,可以看出很多设计是:聚合优先于继承或者实现。这样可以减少很多继承或者实现。类似 SpringJdbcTemplate 场景设计,可以考虑到这种 Callback 设计实现。

代码示例

本文示例读者可以通过查看下面仓库的中: StringComparisonDemo 字符串比较案例案例:

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参考资料

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