Java集合排序

1. 集合排序API

1.1 集合排序概述

        集合排序是指对一个集合中的元素按照特定规则进行重新排列，以使得集合中的元素按照预定义的顺序呈现。

        在集合排序中，通常需要定义一个比较规则，这个比较规则用于决定集合中的元素在排序后的顺序。元素之间的比较可以是数字的大小比较、字符串的字典序比较、对象的属性比较等。

        例如，将学生信息集合按照学生的学号排序，按照姓名的字典顺序排序，或者按照生日排序。

        在Java中实现集合排序的方式可以分为两大类：

        1、使用集合排序API。

        2、使用支持自动排序的集合。

• 一些集合底层使用的数据结构支持自动排序，如红黑树结构

1.2 Collections.sort() 方法

        Collections是集合的工具类，它提供了很多便于我们操作集合的方法，其中就有用于集合排序的sort方法。该方法的定义为：

void sort(List<T> list)

        该方法的作用是对集合元素进行自然排序（按照元素的由小至大的顺序）。

        编写代码，测试集合的排序实现。代码示意如下：

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

public class ListSortDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        Random r = new Random(1);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            list.add(r.nextInt(100));
        }
        // [85, 88, 47, 13, 54, 4, 34, 6, 78, 48]
        System.out.println(list);
        Collections.sort(list);
        // [4, 6, 13, 34, 47, 48, 54, 78, 85, 88]
        System.out.println(list);
    }
} 

1.3 Comparable接口

        在Java中，如果想对某个集合的元素进行排序，有一个前提条件：该集合中的元素必须是Comparable接口的实现类。

        Comparable是一个接口，用于定义其子类是可以比较的，该接口有一个用于比较大小的抽象方法：

        所有 Comparable 接口的实现类都需要重写 compareTo 方法来定义对象间的比较规则：

int compareTo(T t);  

        此方法使用当前对象与给定对象进行比较，并要求返回一个整数，这个整数不关心具体的值，而是关注取值范围：

• 当返回值>0时，表示当前对象比参数给定的对象大
• 当返回值<0时，表示当前对象比参数给定的对象小
• 当返回值=0时，表示当前对象和参数给定的对象相等

        编写代码，定义类并实现Comparable接口；然后定义包含该对象的集合，测试其排序效果。代码示意如下：

public class Student implements Comparable<Student>{
    String String name;
    String int age;
    String double score;
    public Student(String name, int age, double score) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.score = score;
    }
    @Override
    public int compareTo(Student o) {
        // 按年龄的大小排序
        return this.age - o.age;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", score=" + score +
                '}';
    }
}

import java.util.*;
public class ListSortDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        Student s1 = new Student("Tom", 18, 88.5);
        Student s2 = new Student("Jerry", 16, 95);
        Student s3 = new Student("Lucy", 17, 100);
        System.out.println("s1 compareTo s2:" + s1.compareTo(s2));
        System.out.println("s2 compareTo s3:" + s2.compareTo(s3));
        List<Student> list = Arrays.asList(s1,s2,s3);
        // 排序
        Collections.sort(list);
        // 查看list中的元素
        for(Student s : list){
            System.out.println(s); // Jerry, Lucy, Tom
        }
    }
}

1.4 Comparator接口

        一旦Java类实现了 Comparable 接口，其比较逻辑就已经确定；如果希望在排序的操作中临时指定比较规则，可以通过声明 Comparator 接口的实现类来实现。

        Comparator 接口也用于定义比较逻辑，可用于在集合外部提供元素的比较逻辑。对比如下图所示：

        因此，实现了 Comparator 接口的类可以看作是定义了特定比较逻辑的比较器。

        Comparator接口的核心方法是compare方法，用于比较两个元素的大小：

int compare(T o1,T o2)

        实现compare方法的返回值要求：

• 若o1>o2则返回值应>0
• 若o1<o2则返回值应<0
• 若o1=o2则返回值应为0

        接续上一个案例：使用Comparator接口，为sort() 方法指定其他比较规则并实现排序。代码示意如下：

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

public class ListSortDemo3 {
    public static void main(String[] args) {
        Student s1 = new Student("Tom", 18, 88.5);
        Student s2 = new Student("Jerry", 16, 95);
        Student s3 = new Student("Lucy", 17, 100);
        List<Student> list = Arrays.asList(s1,s2,s3);
        // 排序 指定新的比较逻辑 按分数排序
        System.out.println("====> 按分数排序后的结果");
        Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                return (int) Math.ceil(o1.score - o2.score);
            }
        });
        // 查看list中的元素
        for(Student s : list){
            System.out.println(s); // Tom, Jerry, Lucy
        }

        // 排序 指定新的比较逻辑 按分数降序排序
        System.out.println("====> 按分数降序排序后的结果");
        Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                return (int) Math.ceil(o2.score - o1.score);
            }
        });
        // 查看list中的元素
        for(Student s : list){
            System.out.println(s); // Lucy, Jerry, Tom
        }

        // 排序 指定新的比较逻辑 按姓名排列
        System.out.println("====> 按姓名排序后的结果");
        Collections.sort(list, new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                // String和包装类都实现了Comparable接口
                return o1.name.compareTo(o2.name);
            }
        });
        // 查看list中的元素
        for(Student s : list){
            System.out.println(s); // Jerry, Lucy, Tom
        }
    }
}

1.5 Comparator接口中的默认方法

        在Java 8之前，接口中只能定义抽象方法，也就是只能定义方法的签名，而没有具体的实现。

        Java 8引入了默认方法（Default Method）的概念，它是一种可以在接口中定义具体实现的方法。默认方法的引入使得Java的接口可以更好地支持类库的演化和功能的扩展。

        Comparator 接口在Java 8及以后的版本中引入了一些默认方法，这些方法提供了更多的灵活性和便利性。

        以下是Comparator 接口中常用的默认方法：

        1、reversed()：该方法返回当前比较器的逆序比较器。它将原来的比较规则进行颠倒，使得升序排序变为降序排序，反之亦然。

        2、thenComparing(Comparator<? super T> other)：该方法返回一个组合比较器，用于对两个比较规则进行联合排序。如果原始比较器认为两个元素相等，则使用传入的 other 比较器进一步比较。

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

public class ListSortDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        Student s1 = new Student("Tom", 18, 88.5);
        Student s2 = new Student("Jerry", 16, 95);
        Student s3 = new Student("Lucy", 17, 100);
        Student s4 = new Student("Alice", 17, 96);
        List<Student> list = Arrays.asList(s1,s2,s3,s4);
        // 声明年龄升序比较器
        Comparator<Student> c1 = new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                return o1.age - o2.age;
            }
        };
        // 声明年龄降序比较器
        Comparator<Student> c2 = c1.reversed();
        // 测试效果
        System.out.println("====> 按年龄升序排序后的结果");
        Collections.sort(list, c1);
        printList(list);
        System.out.println("====> 按年龄降序排序后的结果");
        Collections.sort(list, c2);
        printList(list);
        // 声明分数升序比较器
        Comparator<Student> c3 = new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                return (int) Math.ceil(o1.score - o2.score);
            }
        };
        // 组合比较器：先按年龄降序，年龄相同按分数升序
        Comparator<Student> c4 = c2.thenComparing(c3);
        // 测试效果
        System.out.println("====> 按年龄降序，年龄相同按分数升序排序后的结果");
        Collections.sort(list, c4);
        printList(list);
    }

    public static void printList(List<Student> list) {
        for(Student s : list){
            System.out.println(s);
        }
    }
}

2. 自动排序的集合

2.1 树数据结构

        树（Tree）是一种常见的非线性数据结构，它由一组节点（Node）和节点之间的连接关系（边，Edge）组成。树的结构类似于自然界中的树，由根节点、分支节点和叶子节点构成，分支节点连接多个子节点，而叶子节点没有子节点。

2.2 二叉搜索树

        二叉搜索树（Binary Search Tree, BST）满足以下条件：

        1、对于根节点，左子树中所有节点的值 < 根节点的值 < 右子树中所有节点的值

        2、任意节点的左、右子树也是二叉搜索树，即同样满足条件 1

        这个特性使得在二叉搜索树中进行查找操作非常高效。在理想的情况下，二叉搜索树是“平衡”的，这样就可以在logn轮循环内查找任意节点。

        BST的插入和删除操作也相对简单，但它没有强制性的自平衡机制，可能导致树的不平衡性，如果二叉树退化成链表，这时各种操作的时间复杂度也会退化为O(n)。

2.3 红黑树

        红黑树（Red-Black Tree）是一种自平衡的二叉搜索树，它在普通二叉搜索树的基础上添加了额外的规则来保持树的平衡。红黑树的命名源自于每个节点都有一个颜色属性，可以是红色或黑色。

        红黑树通过遵守以下五条规则来保持树的平衡性：

• 每个节点要么是红色，要么是黑色
• 根节点是黑色
• 每个叶子节点（NIL节点）都是黑色
• 如果一个节点是红色的，则其两个子节点必须都是黑色的
• 从任意节点到其每个叶子节点的简单路径上，黑色节点的数量相同

        示意如下：

2.4 TreeMap

        在Java中，TreeMap 是一种实现了 SortedMap 接口的有序映射集合。它基于红黑树（Red-Black Tree）数据结构来实现，可以确保其中的元素按照键的自然顺序或者自定义比较器进行排序。TreeMap 提供了一系列方法来操作键值对，具有快速查找、插入和删除的特性。

        以下是 TreeMap 的一些特点和用法：

        1、键的有序性：TreeMap 中的键是有序的，这是因为它基于红黑树来实现。键的排序可以是键类型的自然顺序，或者通过传入的 Comparator 对象来定义。

        2、查找效率：由于红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，TreeMap 中的查找、插入和删除操作的时间复杂度都是 O(log n)，其中 n 是映射中键值对的数量。

        3、允许 null 键：TreeMap 允许 null 键，但要注意在自定义比较器中处理 null 键的情况，否则可能导致异常。

        TreeMap充分发挥了二叉搜索树的特点，为用户提供了一些与Key元素大小相关的方法。

        编写代码，测试TreeMap的使用。代码示意如下：

import java.util.Map;
import java.util.SortedMap;
import java.util.TreeMap;

public class TreeMapDemo {
    public static void main(String[] args) {
        TreeMap<Integer, String> treeMap = new TreeMap();
        treeMap.put(5,"Tom");
        treeMap.put(3,"Jerry");
        treeMap.put(9,"Lucy");
        treeMap.put(2,"Tony");
        // 遍历TreeMap
        for(Map.Entry<Integer, String> entry : treeMap.entrySet()){
            System.out.println("key: " + entry.getKey()+", value: " + entry.getValue());
        }
        System.out.println("------------");
        // 返回临近的高值键值对
        Map.Entry<Integer,String> entry1 = treeMap.higherEntry(8);
        System.out.println("higherEntry(8): "+entry1);
        // 返回临近的低值键值对
        Map.Entry<Integer,String> entry2 = treeMap.lowerEntry(8);
        System.out.println("lowerEntry(8): "+entry2);
        System.out.println("------------");
        // 获取子集 key在 from和to之间，默认包前不包后
        SortedMap<Integer,String> subMap1 = treeMap.subMap(3,5);
        System.out.println("subMap(3, 5): "+subMap1);
        // 可设置是否包含边界
        System.out.println("------------");
        System.out.println("subMap(3, 5) include: "+treeMap.subMap(3, true, 9, true));
        // 返回逆序的集合
        System.out.println("------------");
        System.out.println("desc: "+treeMap.descendingMap());
    }
}

2.5 TreeSet

        在Java中，TreeSet 是一种实现了 SortedSet 接口的有序集合。它底层使用一个TreeMap的Key来存储所有的元素。TreeSet 中不允许包含重复的元素。

        编写代码，测试TreeSet的使用。代码示意如下：

import java.util.Comparator;
import java.util.TreeSet;

public class TreeSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Employee e1 = new Employee("Tom",18);
        Employee e2 = new Employee("Jerry",16);
        Employee e3 = new Employee("Lucy",13);
        Employee e4 = new Employee("Tony",20);
        TreeSet<Employee> set1 = new TreeSet();
        set1.add(e1);
        set1.add(e2);
        set1.add(e3);
        set1.add(e4);
        System.out.println("set1: "+set1);
        Comparator<Employee> cpt = new Comparator<Employee>() {
            @Override
            public int compare(Employee o1, Employee o2) {
                return o1.name.compareTo(o2.name);
            }
        };
        TreeSet<Employee> set2 = new TreeSet(cpt);
        set2.addAll(set1);
        System.out.println("set2: "+set2);
    }
}

class Employee implements Comparable<Employee> {
    String name;
    int age;
    public Employee(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    @Override
    public int compareTo(Employee o) {
        System.out.println(this.age + " compareTo" + o.age );
        return this.age - o.age;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Employee{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

3. 总结

        1、集合排序是指对一个集合中的元素按照特定规则进行重新排列，以使得集合中的元素按照预定义的顺序呈现。在Java中实现集合排序的方式可以分为两大类。

• 使用集合排序API
• 使用支持自动排序的集合

        2、常用的集合排序API包括以下几种。

• Collections.sort() 方法
• Comparable接口
• Comparator接口

        3、TreeMap 是一种实现了 SortedMap 接口的有序映射集合。它基于红黑树（Red-Black Tree）数据结构来实现，可以确保其中的元素按照键的自然顺序或者自定义比较器进行排序。

        4、TreeSet 是一种实现了 SortedSet 接口的有序集合。它底层使用一个TreeMap的Key来存储所有的元素。