Effective Java笔记：考虑实现 Comparable 接口

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`Comparable` 接口的规则与原则

当我们使用 Java 的 Comparable 接口时，目的是让对象具有一种内在的排序逻辑，即"自然顺序"（natural ordering）。该接口的核心方法是：

int compareTo(T o);

compareTo 方法的作用：
通过定义一个 “比较” 的逻辑（返回一个整数值），来判断当前对象与另一个对象之间的排序顺序：

返回负值：当前对象比参数对象“小”。
返回零：当前对象与参数对象“相等”。
返回正值：当前对象比参数对象“大”。

Java 提供了许多地方会使用 Comparable 的排序逻辑，例如：

集合排序：TreeSet 和 TreeMap 使用对象的自然顺序。
排序算法：Collections.sort 和 Arrays.sort() 会依赖 Comparable 的顺序。

1. 理解实现 `Comparable` 接口的规则

规则 1：`compareTo` 方法必须与 `equals` 方法一致

如果两个对象通过 compareTo 认为是“相等的”（compareTo 返回 0），那么它们的 equals 方法应该返回 true。
不遵守该规则将导致某些数据结构（如 TreeSet 和 TreeMap）行为异常，比如允许逻辑上“重复”的元素。

示例（不一致导致问题）

public class Person implements Comparable<Person> {
    private String name;
    private int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int compareTo(Person other) {
        return Integer.compare(this.age, other.age); // 按年龄比较
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (!(obj instanceof Person)) return false;
        Person other = (Person) obj;
        return this.name.equals(other.name); // 按名字定义相等性
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return name.hashCode(); // 性能优化
    }
}

在此代码中：

compareTo 以年龄排序，但 equals 是基于名字。
这种不一致会导致排序的集合（如 TreeSet）可能包含多个逻辑上重复的元素。

导致的问题：

public static void main(String[] args) {
    TreeSet<Person> set = new TreeSet<>();
    set.add(new Person("Alice", 30));
    set.add(new Person("Bob", 25));
    set.add(new Person("Alice", 35)); // 按 name 相等，但 tree 认为不重复
    System.out.println(set.size()); // 输出 3，但逻辑上应该是 2
}

改进：确保一致性
compareTo 和 equals 都基于相同属性实现。例如：

@Override
public boolean equals(Object obj) {
    if (!(obj instanceof Person)) return false;
    Person other = (Person) obj;
    return this.age == other.age; // 修改为按年龄判断相等
}

规则 2：`compareTo` 的返回值必须满足比较的数学逻辑

具体需要满足以下条件：

如果 x.compareTo(y) < 0，则 y.compareTo(x) 必须返回值 > 0。
如果 x.compareTo(y) == 0，则 y.compareTo(x) 必须返回值 == 0。
如果 x.compareTo(y) > 0 且 y.compareTo(z) > 0，那么 x.compareTo(z) > 0（传递性）。

违反这些逻辑将导致排序行为异常，例如在 TreeSet 中的排序不正确。

示例（违反逻辑）

public class Product implements Comparable<Product> {
    private String name;
    private int price;

    public Product(String name, int price) {
        this.name = name;
        this.price = price;
    }

    @Override
    public int compareTo(Product other) {
        // 故意引入问题：按价格比较，但返回负值（逻辑反转）
        return other.price - this.price;
    }
}

问题：

上面的 compareTo 并非传递性友好，例如存在：
1. a.price < b.price，但 a.compareTo(b) 返回正值。
2. 数据结构从小到大的排序可能被打乱，或在 Collections.sort 中抛出 IllegalArgumentException。

正确逻辑：

@Override
public int compareTo(Product other) {
    return Integer.compare(this.price, other.price); // 正确逻辑
}

规则 3：避免对 `compareTo` 的返回值做简单减法

在 compareTo 中，直接用两个整数相减可能产生溢出问题。

示例（可能溢出）

@Override
public int compareTo(Product other) {
    return this.price - other.price; // 可能溢出
}

问题：

若两个整数相差较大时，this.price - other.price 会导致溢出，返回错误数值。
例如，对于两个价格整数：this.price = Integer.MAX_VALUE 和 other.price = -1，减法会溢出，返回负值。

改进：使用 Integer.compare

@Override
public int compareTo(Product other) {
    return Integer.compare(this.price, other.price); // 避免溢出
}

2. `Comparable` 实现的示例

示例：根据姓名排序的 `Person` 类

以下是按姓名进行排序的 Person 类的实现：

public class Person implements Comparable<Person> {
    private String name;
    private int age;

    public Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    // 自然排序：按名字排序
    @Override
    public int compareTo(Person other) {
        return this.name.compareTo(other.name); // 姓名按字典序比较
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (!(obj instanceof Person)) return false;
        Person other = (Person) obj;
        return this.name.equals(other.name) && this.age == other.age;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }
}

使用案例

public static void main(String[] args) {
    List<Person> people = new ArrayList<>();
    people.add(new Person("Alice", 30));
    people.add(new Person("Bob", 25));
    people.add(new Person("Charlie", 35));

    // 按名字排序
    Collections.sort(people);

    for (Person p : people) {
        System.out.println(p.name);
    }
    // 输出：Alice, Bob, Charlie
}

3. 静态工厂方法与定制排序的结合

当我们需要对同一类的实例基于不同属性排序（但 compareTo 只能定义一种排序逻辑），此时可以使用静态工厂方法结合 Comparator，以动态灵活地实现多重排序。

示例：按年龄排序静态工厂

在上面的 Person 类中，我们定义一个静态工厂方法用于生成按年龄排序的 Comparator：

public class Person {
    private String name;
    private int age;

    // 静态工厂方法：按年龄排序
    public static Comparator<Person> ageComparator() {
        return (p1, p2) -> Integer.compare(p1.age, p2.age);
    }
}

使用自定义排序

public static void main(String[] args) {
    List<Person> people = new ArrayList<>();
    people.add(new Person("Alice", 30));
    people.add(new Person("Bob", 25));
    people.add(new Person("Charlie", 35));

    // 按年龄排序（非自然排序）
    people.sort(Person.ageComparator());

    for (Person p : people) {
        System.out.println(p.name + ": " + p.age);
    }
    // 输出：Bob: 25, Alice: 30, Charlie: 35
}