Java Arrays.sort源代码解析

Java Arrays.sort源代码解析　　

　　

　　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。

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一、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：

package com.util;public class ArraysPrimitive {    private ArraysPrimitive() {}    /**     * 对指定的 int 型数组按数字升序进行排序。     */    public static void sort(int[] a) {        sort1(a, 0, a.length);    }        /**     * 对指定 int 型数组的指定范围按数字升序进行排序。     */    public static void sort(int[] a, int fromIndex, int toIndex) {        rangeCheck(a.length, fromIndex, toIndex);        sort1(a, fromIndex, toIndex - fromIndex);    }    private static void sort1(int x[], int off, int len) {        /*         * 当待排序的数组中的元素个数小于 7 时，采用插入排序 。         *          * 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。         */        if (len < 7) {            for (int i = off; i < len + off; i++)                for (int j = i; j > off && x[j - 1] > x[j]; j--)                    swap(x, j, j - 1);            return;        }        /*         * 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 。         *          * Choose a partition element, v         * 选取一个划分元，V         *          * 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).         */        // 当数组大小为size=7时 ，取数组中间元素作为划分元。        int m = off + (len >> 1);        // 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。        if (len > 7) {            int l = off;            int n = off + len - 1;            /*             * 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。             */            if (len > 40) {                int s = len / 8;                l = med3(x, l, l + s, l + 2 * s);                m = med3(x, m - s, m, m + s);                n = med3(x, n - 2 * s, n - s, n);            }            // 取出中间大小的元素的位置。            m = med3(x, l, m, n); // Mid-size, med of 3        }                //得到划分元V        int v = x[m];                // Establish Invariant: v* (<v)* (>v)* v*        int a = off, b = a, c = off + len - 1, d = c;        while (true) {            while (b <= c && x[b] <= v) {                if (x[b] == v)                    swap(x, a++, b);                b++;            }            while (c >= b && x[c] >= v) {                if (x[c] == v)                    swap(x, c, d--);                c--;            }            if (b > c)                break;            swap(x, b++, c--);        }        // Swap partition elements back to middle        int s, n = off + len;        s = Math.min(a - off, b - a);        vecswap(x, off, b - s, s);        s = Math.min(d - c, n - d - 1);        vecswap(x, b, n - s, s);        // Recursively sort non-partition-elements        if ((s = b - a) > 1)            sort1(x, off, s);        if ((s = d - c) > 1)            sort1(x, n - s, s);    }        /**     * Swaps x[a] with x[b].     */    private static void swap(int x[], int a, int b) {        int t = x[a];        x[a] = x[b];        x[b] = t;    }        /**     * Swaps x[a .. (a+n-1)] with x[b .. (b+n-1)].     */    private static void vecswap(int x[], int a, int b, int n) {    for (int i=0; i<n; i++, a++, b++)        swap(x, a, b);    }        /**     * Returns the index of the median of the three indexed integers.     */    private static int med3(int x[], int a, int b, int c) {        return (x[a] < x[b] ? (x[b] < x[c] ? b : x[a] < x[c] ? c : a)                : (x[b] > x[c] ? b : x[a] > x[c] ? c : a));    }    /**     * 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);    }}

测试代码：

package com.test;import com.util.ArraysPrimitive;public class ArraysTest {    public static void main(String[] args) {        int [] a={15,93,15,41,6,15,22,7,15,20};        ArraysPrimitive.sort(a);        for(int i=0;i<a.length;i++){            System.out.print(a[i]+",");        }        //结果：6,7,15,15,15,15,20,22,41,93,    }}

二、对于Object类型源码分析如下：

　　部分源代码（二）如下：

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;    }}

测试代码如下：

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;    }}

辅助理解代码：

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);}

<div>package com.lang.reflect;</div><div></div><div>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);    }</div><div></div><div>    private static native Object newArray(Class componentType, int length)            throws NegativeArraySizeException;}</div>