Java集合---Array类源码解析

一、Arrays.sort()数组排序

Java Arrays中提供了对所有类型的排序。其中主要分为Primitive(8种基本类型)和Object两大类。

　　基本类型：采用调优的快速排序；

　　对象类型：采用改进的归并排序。

 

1、对于基本类型源码分析如下（以int[]为例）：

　　Java对Primitive（int，float等原型数据）数组采用快速排序，对Object对象数组采用归并排序。对这一区别，sun在<<The Java Tutorial>>中做出的解释如下：

　　The sort operation uses a slightly optimized merge sort algorithm that is fast and stable:

　　* Fast: It is guaranteed to run in n log(n) time and runs substantially faster on nearly sorted lists. Empirical tests showed it to be as fast as a highly optimized quicksort. A quicksort is generally considered to be faster than a merge sort but isn't stable and doesn't guarantee n log(n) performance.

　　* Stable: It doesn't reorder equal elements. This is important if you sort the same list repeatedly on different attributes. If a user of a mail program sorts the inbox by mailing date and then sorts it by sender, the user naturally expects that the now-contiguous list of messages from a given sender will (still) be sorted by mailing date. This is guaranteed only if the second sort was stable.

　　也就是说，优化的归并排序既快速（nlog(n)）又稳定。

　　对于对象的排序，稳定性很重要。比如成绩单，一开始可能是按人员的学号顺序排好了的，现在让我们用成绩排，那么你应该保证，本来张三在李四前面，即使他们成绩相同，张三不能跑到李四的后面去。

　　而快速排序是不稳定的，而且最坏情况下的时间复杂度是O(n^2)。

　　另外，对象数组中保存的只是对象的引用，这样多次移位并不会造成额外的开销，但是，对象数组对比较次数一般比较敏感，有可能对象的比较比单纯数的比较开销大很多。归并排序在这方面比快速排序做得更好，这也是选择它作为对象排序的一个重要原因之一。

　　排序优化：实现中快排和归并都采用递归方式，而在递归的底层，也就是待排序的数组长度小于7时，直接使用冒泡排序，而不再递归下去。

　　分析：长度为6的数组冒泡排序总比较次数最多也就1+2+3+4+5+6=21次，最好情况下只有6次比较。而快排或归并涉及到递归调用等的开销，其时间效率在n较小时劣势就凸显了，因此这里采用了冒泡排序，这也是对快速排序极重要的优化。

 

　　源码中的快速排序，主要做了以下几个方面的优化：

　　1）当待排序的数组中的元素个数较少时，源码中的阀值为7，采用的是插入排序。尽管插入排序的时间复杂度为0(n^2)，但是当数组元素较少时，插入排序优于快速排序，因为这时快速排序的递归操作影响性能。

　　2）较好的选择了划分元（基准元素）。能够将数组分成大致两个相等的部分，避免出现最坏的情况。例如当数组有序的的情况下，选择第一个元素作为划分元，将使得算法的时间复杂度达到O(n^2).

　　源码中选择划分元的方法:

　　　　当数组大小为 size=7 时 ，取数组中间元素作为划分元。int n=m>>1;(此方法值得借鉴)

　　　　当数组大小 7<size<=40时，取首、中、末三个元素中间大小的元素作为划分元。

　　　　当数组大小 size>40 时 ，从待排数组中较均匀的选择9个元素，选出一个伪中数做为划分元。

　　3）根据划分元 v ，形成不变式 v* (<v)* (>v)* v*

　　普通的快速排序算法，经过一次划分后，将划分元排到素组较中间的位置，左边的元素小于划分元，右边的元素大于划分元，而没有将与划分元相等的元素放在其附近，这一点，在Arrays.sort()中得到了较大的优化。

　　举例：15、93、15、41、6、15、22、7、15、20

　　因  7<size<=40,所以在15、6、和20 中选择v = 15 作为划分元。

　　经过一次换分后： 15、15、7、6、41、20、22、93、15、15. 与划分元相等的元素都移到了素组的两边。

　　接下来将与划分元相等的元素移到数组中间来，形成：7、6、15、15、15、15、41、20、22、93.

　　最后递归对两个区间进行排序[7、6]和[41、20、22、93].

 

　　部分源代码（一）如下：

1 package com.util; 2 3 public class ArraysPrimitive { 4 private ArraysPrimitive() {} 5 6 /** 7 * 对指定的 int 型数组按数字升序进行排序。 8 */ 9 public static void sort(int[] a) { 10 sort1(a, 0, a.length); 11 } 12 13 /** 14 * 对指定 int 型数组的指定范围按数字升序进行排序。 15 */ 16 public static void sort(int[] a, int fromIndex, int toIndex) { 17 rangeCheck(a.length, fromIndex, toIndex); 18 sort1(a, fromIndex, toIndex - fromIndex); 19 } 20 21 private static void sort1(int x[], int off, int len) { 22 /* 23 * 当待排序的数组中的元素个数小于 7 时，采用插入排序 。 24 * 25 * 尽管插入排序的时间复杂度为O(n^2),但是当数组元素较少时， 插入排序优于快速排序，因为这时快速排序的递归操作影响性能。 26 */ 27 if (len < 7) { 28 for (int i = off; i < len + off; i++) 29 for (int j = i; j > off && x[j - 1] > x[j]; j--) 30 swap(x, j, j - 1); 31 return; 32 } 33 /* 34 * 当待排序的数组中的元素个数大于 或等于7 时，采用快速排序 。 35 * 36 * Choose a partition element, v 37 * 选取一个划分元，V 38 * 39 * 较好的选择了划分元(基准元素)。能够将数组分成大致两个相等的部分，避免出现最坏的情况。例如当数组有序的的情况下， 40 * 选择第一个元素作为划分元，将使得算法的时间复杂度达到O(n^2). 41 */ 42 // 当数组大小为size=7时 ，取数组中间元素作为划分元。 43 int m = off + (len >> 1); 44 // 当数组大小 7<size<=40时，取首、中、末 三个元素中间大小的元素作为划分元。 45 if (len > 7) { 46 int l = off; 47 int n = off + len - 1; 48 /* 49 * 当数组大小 size>40 时 ，从待排数组中较均匀的选择9个元素， 50 * 选出一个伪中数做为划分元。 51 */ 52 if (len > 40) { 53 int s = len / 8; 54 l = med3(x, l, l + s, l + 2 * s); 55 m = med3(x, m - s, m, m + s); 56 n = med3(x, n - 2 * s, n - s, n); 57 } 58 // 取出中间大小的元素的位置。 59 m = med3(x, l, m, n); // Mid-size, med of 3 60 } 61 62 //得到划分元V 63 int v = x[m]; 64 65 // Establish Invariant: v* (<v)* (>v)* v* 66 int a = off, b = a, c = off + len - 1, d = c; 67 while (true) { 68 while (b <= c && x[b] <= v) { 69 if (x[b] == v) 70 swap(x, a++, b); 71 b++; 72 } 73 while (c >= b && x[c] >= v) { 74 if (x[c] == v) 75 swap(x, c, d--); 76 c--; 77 } 78 if (b > c) 79 break; 80 swap(x, b++, c--); 81 } 82 // Swap partition elements back to middle 83 int s, n = off + len; 84 s = Math.min(a - off, b - a); 85 vecswap(x, off, b - s, s); 86 s = Math.min(d - c, n - d - 1); 87 vecswap(x, b, n - s, s); 88 // Recursively sort non-partition-elements 89 if ((s = b - a) > 1) 90 sort1(x, off, s); 91 if ((s = d - c) > 1) 92 sort1(x, n - s, s); 93 } 94 95 /** 96 * Swaps x[a] with x[b]. 97 */ 98 private static void swap(int x[], int a, int b) { 99 int t = x[a]; 100 x[a] = x[b]; 101 x[b] = t; 102 } 103 104 /** 105 * Swaps x[a .. (a+n-1)] with x[b .. (b+n-1)]. 106 */ 107 private static void vecswap(int x[], int a, int b, int n) { 108 for (int i=0; i<n; i++, a++, b++) 109 swap(x, a, b); 110 } 111 112 /** 113 * Returns the index of the median of the three indexed integers. 114 */ 115 private static int med3(int x[], int a, int b, int c) { 116 return (x[a] < x[b] ? (x[b] < x[c] ? b : x[a] < x[c] ? c : a) 117 : (x[b] > x[c] ? b : x[a] > x[c] ? c : a)); 118 } 119 120 /** 121 * Check that fromIndex and toIndex are in range, and throw an 122 * appropriate exception if they aren't. 123 */ 124 private static void rangeCheck(int arrayLen, int fromIndex, int toIndex) { 125 if (fromIndex > toIndex) 126 throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex 127 + ") > toIndex(" + toIndex + ")"); 128 if (fromIndex < 0) 129 throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(fromIndex); 130 if (toIndex > arrayLen) 131 throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(toIndex); 132 } 133 }

测试代码如下：

1 package com.test; 2 3 import com.util.ArraysPrimitive; 4 5 public class ArraysTest { 6 public static void main(String[] args) { 7 int [] a={15,93,15,41,6,15,22,7,15,20}; 8 ArraysPrimitive.sort(a); 9 for(int i=0;i<a.length;i++){ 10 System.out.print(a[i]+","); 11 } 12 //结果：6,7,15,15,15,15,20,22,41,93, 13 } 14 }

2、对于Object类型源码分析如下：

　　部分源代码（二）如下：

按 Ctrl+C 复制代码

package com.util; import java.lang.reflect.Array; public class ArraysObject { private static final int INSERTIONSORT_THRESHOLD = 7; private ArraysObject() {} public static void sort(Object[] a) { //java.lang.Object.clone()，理解深表复制和浅表复制 Object[] aux = (Object[]) a.clone(); mergeSort(aux, a, 0, a.length, 0); } public static void sort(Object[] a, int fromIndex, int toIndex) { rangeCheck(a.length, fromIndex, toIndex); Object[] aux = copyOfRange(a, fromIndex, toIndex); mergeSort(aux, a, fromIndex, toIndex, -fromIndex); } /** * Src is the source array that starts at index 0 * Dest is the (possibly larger) array destination with a possible offset * low is the index in dest to start sorting * high is the end index in dest to end sorting * off is the offset to generate corresponding low, high in src */ private static void mergeSort(Object[] src, Object[] dest, int low, int high, int off) { int length = high - low; // Insertion sort on smallest arrays if (length < INSERTIONSORT_THRESHOLD) { for (int i = low; i < high; i++) for (int j = i; j > low && ((Comparable) dest[j - 1]).compareTo(dest[j]) > 0; j--) swap(dest, j, j - 1); return; } // Recursively sort halves of dest into src int destLow = low; int destHigh = high; low += off; high += off; /* * >>>：无符号右移运算符 * expression1 >>> expresion2：expression1的各个位向右移expression2 * 指定的位数。右移后左边空出的位数用0来填充。移出右边的位被丢弃。 * 例如：-14>>>2； 结果为：1073741820 */ int mid = (low + high) >>> 1; mergeSort(dest, src, low, mid, -off); mergeSort(dest, src, mid, high, -off); // If list is already sorted, just copy from src to dest. This is an // optimization that results in faster sorts for nearly ordered lists. if (((Comparable) src[mid - 1]).compareTo(src[mid]) <= 0) { System.arraycopy(src, low, dest, destLow, length); return; } // Merge sorted halves (now in src) into dest for (int i = destLow, p = low, q = mid; i < destHigh; i++) { if (q >= high || p < mid && ((Comparable) src[p]).compareTo(src[q]) <= 0) dest[i] = src[p++]; else dest[i] = src[q++]; } } /** * Check that fromIndex and toIndex are in range, and throw an appropriate * exception if they aren't. */ private static void rangeCheck(int arrayLen, int fromIndex, int toIndex) { if (fromIndex > toIndex) throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex + ") > toIndex(" + toIndex + ")"); if (fromIndex < 0) throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(fromIndex); if (toIndex > arrayLen) throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(toIndex); } public static <T> T[] copyOfRange(T[] original, int from, int to) { return copyOfRange(original, from, to, (Class<T[]>) original.getClass()); } public static <T, U> T[] copyOfRange(U[] original, int from, int to, Class<? extends T[]> newType) { int newLength = to - from; if (newLength < 0) throw new IllegalArgumentException(from + " > " + to); T[] copy = ((Object) newType == (Object) Object[].class) ? (T[]) new Object[newLength] : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength); System.arraycopy(original, from, copy, 0, Math.min(original.length - from, newLength)); return copy; } /** * Swaps x[a] with x[b]. */ private static void swap(Object[] x, int a, int b) { Object t = x[a]; x[a] = x[b]; x[b] = t; } }

按 Ctrl+C 复制代码

测试代码如下：

按 Ctrl+C 复制代码

package com.test; import com.util.ArraysObject; public class ArraysObjectSortTest { public static void main(String[] args) { Student stu1=new Student(1001,100.0F); Student stu2=new Student(1002,90.0F); Student stu3=new Student(1003,90.0F); Student stu4=new Student(1004,95.0F); Student[] stus={stu1,stu2,stu3,stu4}; //Arrays.sort(stus); ArraysObject.sort(stus); for(int i=0;i<stus.length;i++){ System.out.println(stus[i].getId()+" : "+stus[i].getScore()); } /* 1002 : 90.0 * 1003 : 90.0 * 1004 : 95.0 * 1001 : 100.0 */ } } class Student implements Comparable<Student>{ private int id; //学号 private float score; //成绩 public Student(){} public Student(int id,float score){ this.id=id; this.score=score; } @Override public int compareTo(Student s) { return (int)(this.score-s.getScore()); } public int getId() { return id; } public void setId(int id) { this.id = id; } public float getScore() { return score; } public void setScore(float score) { this.score = score; } }

按 Ctrl+C 复制代码

辅助理解代码：

按 Ctrl+C 复制代码

package com.lang; public final class System { //System 类不能被实例化。 private System() {} //在 System 类提供的设施中，有标准输入、标准输出和错误输出流；对外部定义的属性 //和环境变量的访问；加载文件和库的方法；还有快速复制数组的一部分的实用方法。 /** * src and dest都必须是同类型或者可以进行转换类型的数组． * @param src the source array. * @param srcPos starting position in the source array. * @param dest the destination array. * @param destPos starting position in the destination data. * @param length the number of array elements to be copied. */ public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length); } package com.lang.reflect; public final class Array { private Array() {} //创建一个具有指定的组件类型和维度的新数组。 public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length) throws NegativeArraySizeException { return newArray(componentType, length); } private static native Object newArray(Class componentType, int length) throws NegativeArraySizeException; }

按 Ctrl+C 复制代码

二、Arrays.asList

慎用ArrayList的contains方法，使用HashSet的contains方法代替

在启动一个应用的时候，发现其中有一处数据加载要数分钟，刚开始以为是需要load的数据比较多的缘故，查了一下数据库有6条左右，但是单独写了一个数据读取的方法，将这6万多条全部读过来，却只需要不到10秒钟，就觉得这里面肯定有问题，于是仔细看其中的逻辑，其中有一段数据去重的逻辑，就是记录中存在某几个字段相同的，就认为是重复数据，就需要将重复数据给过滤掉。这里就用到了一个List来存放这几个字段所组成的主键，如果发现相同的就不处理，代码无非就是下面这样：

 

1 List<string> uniqueKeyList = new ArrayList<string>(); 2 //...... 3 if (uniqueKeyList.contains(uniqueKey)) { 4 continue; }

 

根据键去查找是不是已经存在了，来判断是否重复数据。经过分析，这一块耗费了非常多的时候，于是就去查看ArrayList的contains方法的源码，发现其最终会调用他本身的indexOf方法：

 

7public int indexOf(Object elem) { 8 if (elem == null) { 9 for (int i = 0; i < size; i++) 10 if (elementData[i]==null) 11 return i; 12 } else { 13 for (int i = 0; i < size; i++) 14 if (elem.equals(elementData[i])) 15 return i; 16 } 17 return -1; 18 } 

 

原来在这里他做的是遍历整个list进行查找，最多可能对一个键的查找会达到6万多次，也就是会扫描整个List，验怪会这么慢了。

于是将原来的List替换为Set：

 

Set<string> uniqueKeySet = new HashSet<string>(); //...... if (uniqueKeySet.contains(uniqueKey)) { continue; } 

 

速度一下就上去了，在去重这一块最多花费了一秒钟，为什么HashSet的速度一下就上去了，那是因为其内部使用的是Hashtable，这是HashSet的contains的源码：

 

public boolean contains(Object o) { return map.containsKey(o); } 

 

关于UnsupportedOperationException异常

     在使用Arrays.asList()后调用add，remove这些method时出现java.lang.UnsupportedOperationException异常。这是由于Arrays.asList() 返回java.util.Arrays$ArrayList， 而不是ArrayList。Arrays$ArrayList和ArrayList都是继承AbstractList，remove，add等method在AbstractList中是默认throw UnsupportedOperationException而且不作任何操作。ArrayList override这些method来对list进行操作，但是Arrays$ArrayList没有override remove()，add()等，所以throw UnsupportedOperationException。