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Java高效编程(14):考虑实现 `Comparable

解锁Python编程的无限可能:《奇妙的Python》带你漫游代码世界

与其他方法不同,compareTo 并非 Object 类中声明的,而是 Comparable 接口的唯一方法。compareTo 方法与 equals 类似,但它不仅支持相等性比较,还允许顺序比较,同时它是泛型的。通过实现 Comparable 接口,一个类表明其实例具有自然顺序。这使得对实现 Comparable 的对象数组进行排序变得非常简单:

Arrays.sort(a);

使用 Comparable 接口,可以轻松地搜索、计算极值或维护自动排序的集合。例如,以下程序利用 String 实现了 Comparable,它打印出一个按字母顺序排列的命令行参数列表,并去除重复项:

public class WordList {public static void main(String[] args) {Set<String> s = new TreeSet<>();Collections.addAll(s, args);System.out.println(s);}
}

通过实现 Comparable,你的类可以与依赖该接口的各种通用算法和集合实现进行互操作。实现 Comparable 所需的工作量非常小,但却带来了巨大的收益。几乎所有 Java 平台库中的值类以及所有枚举类型(详见【条目34】)都实现了 Comparable。如果你编写的值类有明显的自然排序,例如字母顺序、数字顺序或时间顺序,那么你应该实现 Comparable 接口。

Comparable 接口声明如下:

public interface Comparable<T> {int compareTo(T t);
}

compareTo 方法的通用合同

compareTo 方法的通用合同类似于 equals 的合同:

  • 比较当前对象与指定对象的顺序,返回负整数、零或正整数,分别表示当前对象小于、等于或大于指定对象。
  • 如果两个对象具有不同类型,通常会抛出 ClassCastException

这个合同的数学符号表示如下:

  • 对所有 xy,应确保 sgn(x.compareTo(y)) == -sgn(y.compareTo(x)),这意味着 x.compareTo(y) 只有在 y.compareTo(x) 抛出异常时才会抛出异常。
  • 应确保传递性:如果 x.compareTo(y) > 0 && y.compareTo(z) > 0,则 x.compareTo(z) > 0
  • 如果 x.compareTo(y) == 0,则 sgn(x.compareTo(z)) == sgn(y.compareTo(z)) 对所有 z 应成立。

此外,推荐但不强制要求 x.compareTo(y) == 0 等价于 x.equals(y)。如果违背了这一点,应在类文档中注明该类的自然顺序与 equals 不一致。

比较与 equals 的一致性

compareTo 方法的比较应符合 equals 的等价性、对称性和传递性原则。如果违反这些原则,可能会导致依赖比较的类(如 TreeSetTreeMap)出错。虽然不致命,但会导致结果不一致。例如,BigDecimal 类的 compareTo 方法与其 equals 方法不一致。对于 HashSetnew BigDecimal("1.0")new BigDecimal("1.00") 被视为不相等,而在 TreeSet 中则视为相等。

编写 compareTo 方法

编写 compareTo 方法类似于编写 equals 方法,但有一些关键区别。由于 Comparable 是参数化接口,因此 compareTo 方法是静态类型化的,避免了类型检查和强制转换。如果参数类型错误,代码甚至无法编译。

compareTo 方法中,字段是按顺序比较的。对于对象引用字段,可以递归调用 compareTo 方法。如果字段没有实现 Comparable,或者需要非标准排序,可以使用 Comparator。例如,下面是一个比较 CaseInsensitiveString 类的 compareTo 方法:

// 使用对象引用字段的单字段 Comparable
public final class CaseInsensitiveString implements Comparable<CaseInsensitiveString> {public int compareTo(CaseInsensitiveString cis) {return String.CASE_INSENSITIVE_ORDER.compare(s, cis.s);}// 其他代码省略
}

使用比较器构造方法实现 compareTo

在 Java 8 中,Comparator 接口提供了一组构造方法来简洁地构建比较器。下面是使用比较器构造方法实现 PhoneNumbercompareTo 的例子:

// 使用比较器构造方法的 Comparable
private static final Comparator<PhoneNumber> COMPARATOR =comparingInt((PhoneNumber pn) -> pn.areaCode).thenComparingInt(pn -> pn.prefix).thenComparingInt(pn -> pn.lineNum);public int compareTo(PhoneNumber pn) {return COMPARATOR.compare(this, pn);
}

这种方法通过使用 ComparatorcomparingIntthenComparingInt 方法来简洁地构建比较逻辑。

避免基于差值的比较器

不要使用基于两个值差值的比较器,例如:

// 错误的差值比较器 - 违反传递性
static Comparator<Object> hashCodeOrder = new Comparator<>() {public int compare(Object o1, Object o2) {return o1.hashCode() - o2.hashCode();}
};

这种方法容易受到整数溢出和浮点运算误差的影响。相反,应该使用静态比较方法或比较器构造方法,例如:

// 基于静态比较方法的比较器
static Comparator<Object> hashCodeOrder = new Comparator<>() {public int compare(Object o1, Object o2) {return Integer.compare(o1.hashCode(), o2.hashCode());}
};

或:

// 基于比较器构造方法的比较器
static Comparator<Object> hashCodeOrder = Comparator.comparingInt(o -> o.hashCode());

总结

当你实现具有合理顺序的值类时,应该让该类实现 Comparable 接口,以便能够轻松排序、搜索和在集合中使用。避免在 compareTo 方法中使用 <> 操作符,推荐使用 Java 提供的静态比较方法或比较器构造方法。

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