Java Comparable 和 Comparator 接口详解

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿

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本文基于 JDK8 分析

Comparable

Comparable 接口位于 java.lang 包下，Comparable 接口下有一个 compareTo 方法，称为自然比较方法。一个类只要实现了这个接口，意味着该类支持自然排序

所谓自然排序，就是按默认规则组成的排序，例如 1234 就是自然排序，因为 2 就是比 1 大，这是默认规定的。类比到 Comparable，我们在 compareTo 中定义自己需要的默认比较规则，以后如果用到 Collections.sort 和 Arrays.sort 方法排序，或者是作为 SortedSet、SortedMap 等组件的元素，就可以按照我们想要的规则排序了

比较的对象不应该出现 null，因为 null 不属于任何类的实例。如果出现了 e.compareTo(null) 这种情况，应该抛出 NullPointerException

Comparable 的用法

Comparable 接口在 JDK8 中的源码

// T 是可比较的类型
public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}

需要比较的类只需实现 Comparable 接口即可，在 compareTo 中定义自己的比较规则

返回 0 表示当前对象与目标对象相等
返回正数表示当前对象比目标对象大
返回负数表示当前对象比目标对象小

public class User implements Comparable<User>{
    private Integer id;
    private Integer age;

    // 构造方法和 set/get 方法省略 ...
	
    // 第一种实现方式
    public int compareTo(User o) {
        // 根据用户的年龄比较，参数 o 为目标比较对象
        if(this.age > o.getAge()) {
            // 当前对象比目标对象大，则返回 1
            return 1;
        }else if(this.age < o.getAge()) {
            // 当前对象比目标对象小，则返回 -1
            return -1;
        }else{
            // 若是两个对象相等，则返回 0
            return 0;
        }
    }
    
    // 第二种实现方式
    public int compareTo(User o) {
        return this.age - o.getAge();
    }
}

compareTo 和 equals

强烈建议自然排序和 equals 的顺序保持一致（就是两个对象调用 compareTo 方法和调用 equals 方法返回的布尔值应该一样）

这个建议在需要同时保持元素有序和唯一的集合中尤其重要。例如 TreeSet，它是一个 Set 集合，通过元素的 hashCode() 和 equals() 来判断元素是否唯一，同时还会依据 Comparator 或是 Comparable 接口对元素进行排序。假如出现了 equals 和 compareTo 行为不一致，就会出现十分诡异的情况，JDK 官方文档有对该情况的说明：

如果将两个键 a 和 b 添加到没有使用显式比较器的有序集合中，使得 (!a.equals(b) && a.compareTo(b) == 0) 成立，那么第二个 add 操作（添加 b）将返回 false（有序集合的大小没有增加），因为从有序集合的角度来看，a 和 b 是相等的

明明 equals 已经判断该元素不重复，但还是拒绝了添加操作，因为 compaTo 认为这两个元素是相等的，这明显不是我们想要的结果。正确的分工是，equals 负责判断元素唯一性，compareTo 负责元素的排序，两者互不干扰

下面以 TreeSet 为例，TreeSet 的 add 方法基于 TreeMap 的 put 方法实现，TreeMap 的结构是一颗红黑树，会根据默认比较器一直向下迭代，直到某个节点的左子树或右子树为 null，并将元素插入到该节点的左子树或右子树，并对整棵树重写进行颜色绘制。如果发现树中某个节点的值和待插入元素元素一致，则覆盖并返回旧值。回到 TreeSet 的 add 方法，put 方法的返回值不为 null，自然 add 方法的返回值就是 false

// TreeSet 中的 add 方法，基于 TreeMap 的 put 方法实现
public boolean add(E e) {
    return m.put(e, PRESENT) == null;
}

// TreeMap 中的 put 方法，这里我们只关注被注释的那一段代码即可
public V put(K key, V value) {
    Entry<K,V> t = root;
    if (t == null) {
        compare(key, key); 
        root = new Entry<>(key, value, null);
        size = 1;
        modCount++;
        return null;
    }
    int cmp;
    Entry<K,V> parent;
    Comparator<? super K> cpr = comparator;
    if (cpr != null) {
        do {
            parent = t;
            cmp = cpr.compare(key, t.key);
            if (cmp < 0)
                t = t.left;
            else if (cmp > 0)
                t = t.right;
            else
                return t.setValue(value);
        } while (t != null);
    }
    // 这里使用 compareTo 对元素作自然排序
    else {
        if (key == null)
            throw new NullPointerException();
        @SuppressWarnings("unchecked")
        Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
        do {
            parent = t;
            cmp = k.compareTo(t.key);
            if (cmp < 0)
                t = t.left;
            else if (cmp > 0)
                t = t.right;
            else
                // 就是在这里遇到相等的元素（根据比较器比较）
                return t.setValue(value);
        } while (t != null);
    }
    Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);
    if (cmp < 0)
        parent.left = e;
    else
        parent.right = e;
    fixAfterInsertion(e);
    size++;
    modCount++;
    return null;
}

Comparator

Comparator 位于 java.util 包下，也是用来排序的。与 Comparable 不同的是，Comparable 表示该类“可以支持排序”，自身提供了排序方法；而 Comparator 则是一个“比较器”，这个比较器需要实现 Comparator 接口，可以通过这个比较器来对类排序，类本身不需要任何操作

当需要作排序操作如 Collections.sort 或是 Arrays.sort 时，把比较器作为参数传进去即可。也可以使用 Comparator 来控制某些集合（TreeSet 或 TreeMap），如果集合要被序列化，Comparator 比较器也必须实现序列化接口

所以说，Comparator 和 Comparable 本质上没有什么区别，Comparable 要注意的点在 Comparator 中亦是如此

Comparator 的使用

自定义一个 User 实体类

public class User {
    private Integer id;
    private Integer age;

    // 构造方法和 set/get 方法省略 ...
}

自定义比较器

class AgeComparator implements Comparator<User> {
    
    @Override
    public int compare(User u1, User u2) {
        if (u1.getAge() > u2.getAge()) {
            return 1;
        } else if (u1.getAge() < u2.getAge()) {
            return -1;
        } else {
            return 0;
        }
    }
}

要使用比较器，只需要直接创建即可。也可以使用匿名内部类或者 lambda 表达式

// 已经定义了比较器，可直接使用
Collections.sort(list, new AgeComparator());
// 使用匿名内部类
Collections.sort(list, new Comparator<User>() {
    @Override
    public int compare(User u1, User u2) {
        ...
    }
});
// 使用 lambda 表达式
Collections.sort(list, (u1, u2) -> {...});

Comparator 中常用的默认方法

相比于 Comparable，Comparator 提供了更多默认方法和静态方法，功能更加强大

reversed

返回一个比较器，是原比较器的逆序（没有实现则是自然排序），底层使用 Collections 的 reverseOrder 方法实现
```
default Comparator<T> reversed() {
    return Collections.reverseOrder(this);
}
```

comparing

返回一个比较器，比较规则由传入的参数制定，该方法有两个重载方法

// 参数为要比较的元素类型，默认按自然排序比较
public static <T, U extends Comparable<? super U>> Comparator<T> comparing(Function<? super T, ? extends U> keyExtractor)
// 第一个参数为要比较的元素类型，第二个参数为比较规则
public static <T, U> Comparator<T> comparing(Function<? super T, ? extends U> keyExtractor, Comparator<? super U> keyComparator)

具体用法如下：

Collections.sort(list, Comparator.comparing(User::getAge));
Collections.sort(list, Comparator.comparing(Student::getLikeGame, Comparator.reverseOrder()));

thenComparing

多条件排序的方法，当我们排序的条件不止一个的时候可以使用该方法。比如说我们对 User 先按照 age 字段排序，再按照 id 排序，就可以使用 thenComparing 方法
```
Collections.sort(list, comparator.thenComparing(x -> x.getId()));
```
thenComparing 有很多重载方法，功能都一样的，但有一点要注意：传进去的类型都是按照自然排序，id 是一个整数，规则就是 1234 从小到大排序。如果你传进去的是一个对象，而你希望能自定义比较规则，那么这个对象必须实现 Comparable 接口
nullsFirst 和 nullsLast

这两个方法的意思是，如果排序的字段为 null 的情况下，这条记录该如何处理。nullsFirst 是将这条记录排在最前面，而 nullsLast 是将这条记录排序在最后面。如果多个 key 都为 null 的话，将无法保证这几个对象的排序
```
Comparator<User> comparator = Comparator.comparing(User::getAge, Comparator.nullsLast(Comparator.reverseOrder()));
```
reverseOrder 和 naturalOrder

返回自然排序的比较器，reverseOrder 则是逆序。同样的，对于自然排序，如果希望自定义规则，必须实现 Comparable 接口
```
Collections.sort(list, Comparator.reverseOrder());
```