走进java比较器Comparator的底层实现原理

一、前言

在文章：Java自定义Comparator实现复杂排序 中我们讨论了如何自定义Comparator实现复杂排序，其中聊到Comparator接口的compare(T o1, T o2)方法中：o1 和 o2的在排序前集合中的顺序为：o2在o1前面。为什么是这样的呢？自定义的Comparator是如何使用到的？

本文我们就撸一撸JDK中List.sort()的源码，找一下哪里使用到了我们自定义的Comparator。

二、哪里使用了Comparator

接着博文Java自定义Comparator实现复杂排序中的内容，我们打断点做debug；

我们发现在users.sort()方法出按F7不会进入sort()方法内部，莫方，由于我们实例的List对象是ArrayList，我们进入ArrayList类中找到sort()方法，把断点安排上；

再debug，发现可以进入sort()方法了：

接着往里跟，代码执行流程如下：

最终进入到TimeSort.sort()方法；其中采用快速排序算法对数组进行排序；我们发现只有两处方法实质用到了传入的Comparator，这两个方法是 负责查出数组一直到第几个数为止有序的countRunAndMakeAscending(a, lo, hi, c)方法 和 负责对数组进行快速排序的binarySort(a, lo, hi, lo + initRunLen, c)方法；即Comparator的底层实现原理就体现在这两个方法中，下面我们分开来讨论一下，Comparator在其中充当什么角色？

1、TimeSort#countRunAndMakeAscending()方法

private static <T> int countRunAndMakeAscending(T[] a, int lo, int hi,
                                                    Comparator<? super T> c) {
        // lo表示数组的起始位置 即：数组下标0
        assert lo < hi;
        int runHi = lo + 1;
        // hi表示数组长度
        if (runHi == hi)
            return 1;

        // c.compare()方法就是我们自定义的
        // 如果按照指定规则数组的前一段是“降序”的，需要反转为正序
        if (c.compare(a[runHi++], a[lo]) < 0) { // Descending
            // 从这里可以看到传入到compare(o1, o2)方法的参数，在原数组中 o2 在 o1 前面
            while (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) < 0)
                runHi++;
            reverseRange(a, lo, runHi);
        } else {                              // Ascending
        
            while (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) >= 0)
                runHi++;
        }

        // 表示 runHi -lo个元素已经按规则“正序”排好序了
        return runHi - lo;
    }

countRunAndMakeAscending()方法 返回 按照指定排序规则（这个排序规则就是我们定义的Comparator中的compare()方法，返回-1表示“降序”，即需要反转的意思。）数组中升序的那一段元素的个数 或 反转后 数组中降序的那一段元素的个数。

2、 TimeSort#binarySort()

private static <T> void binarySort(T[] a, int lo, int hi, int start,
                                   Comparator<? super T> c) {
    assert lo <= start && start <= hi;
    if (start == lo)
        start++;
    for ( ; start < hi; start++) {
        T pivot = a[start];

        // Set left (and right) to the index where a[start] (pivot) belongs
        int left = lo;
        int right = start;
        assert left <= right;
        /*
         * Invariants:
         *   pivot >= all in [lo, left).
         *   pivot <  all in [right, start).
         */
        while (left < right) {
            int mid = (left + right) >>> 1;
            if (c.compare(pivot, a[mid]) < 0)
                right = mid;
            else
                left = mid + 1;
        }
        assert left == right;

        /*
         * The invariants still hold: pivot >= all in [lo, left) and
         * pivot < all in [left, start), so pivot belongs at left.  Note
         * that if there are elements equal to pivot, left points to the
         * first slot after them -- that\'s why this sort is stable.
         * Slide elements over to make room for pivot.
         */
        int n = start - left;  // The number of elements to move
        // Switch is just an optimization for arraycopy in default case
        switch (n) {
            case 2:  a[left + 2] = a[left + 1];
            case 1:  a[left + 1] = a[left];
                     break;
            default: System.arraycopy(a, left, a, left + 1, n);
        }
        a[left] = pivot;
    }
}

binarySort()方法逻辑：

1. 从start（数组中第一个不遵循“升序”规则的数组下标）开始，pivot=array[start]，使用二分查找法对start之前已经有序的数组比对，从start下标开始从后往前找，找到start下标之前第一个大于array[start]的元素下标index；
2. 将ndex, start-1]范围内的数组值都向后移动一位，放在 [index+1~start]，再把pivot的值赋予array[index]（即array[index]=pivot）；
3. start++，然后执行1，2步骤直到start==array.klength结束。

在这里，我们定义的Comparator中的compare()方法充当着排序规则这个角色，返回-1表示“降序”，即需要反转为“升序”；返回0 和 1表示“升序”，即顺序不变。

三、总结

我们自定义的Comparator或者默认的Comparator，都是作为一个排序规则最终传递到TimeSort#binarySort()方法中：

• 返回-1表示“降序”，需要交换两个数据的位置，即反转为“升序”；
• 返回0 和 1表示“升序”，即两个数据的位置顺序不变。