Java中的Comparable接口和Comparator接口

1. 介绍
   Comparable<T>接口和Comparator<T>接口都是JDK中提供的和比较相关的接口。使用它们可以对对象进行比较大小，排序等操作。这算是之后 排序 的先导知识吧。
   Comparable， 字面意思是“可以比较的”，所以实现它的类的多个实例应该可以相互比较“大小”或者“高低”等等。
   Comparator， 字面意思是“比较仪，比较器”， 它应该是专门用来比较用的“工具”。

2. Comparable

   Comparable<T>接口

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

   首先看看JDK中怎么说的：

   This interface imposes a total ordering on the objects of each class that implements it. This ordering is referred to as the class's <i>natural ordering</i>, and the class's <tt>compareTo</tt> method is referred to as its <i>natural comparison method</i>.<p>
   

大意是: 任何实现这个接口的类，其多个实例能以固定的次序进行排列。次序具体由接口中的方法compareTo方法决定。

Lists (and arrays) of objects that implement this interface can be sorted automatically by {@link Collections#sort(List) Collections.sort} (and {@link Arrays#sort(Object[]) Arrays.sort}).

如果某个类实现了这个接口，则它的List或数组都能使用Collections.sort()或Arrays.sort()进行排序。

常见的类如Integer, Double, String都实现了此类。一会儿会结合源码进行分析。

我们先来看Integer中的实现：

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {

    private final int value;

    public int compareTo(Integer anotherInteger) {
        return compare(this.value, anotherInteger.value);
    }
    public static int compare(int x, int y) {
        return (x < y) ? -1 : ((x == y) ? 0 : 1);
    }
    public static int compareUnsigned(int x, int y) {
        return compare(x + MIN_VALUE, y + MIN_VALUE);
    }

我们只贴出了和比较相关的方法。

可以看到，compareTo方法其中调用了compare方法，这是JDK1.7增加的方法。在Integer中新增这个方法是为了减少不必要的自动装箱拆箱。传入compare方法的是两个Integer的值x和y。

如果x < y， 返回-1；如果x = y， 返回0；如果x > y， 返回1。

顺便一说，JDK中的实现非常简洁，只有一行代码， 当判断情况有三种时，使用这种嵌套的判断 x ? a : b 可以简洁不少，这是该学习的。

后面的compareUnsigned是JDK1.8新加入的方法, 用来比较无符号数。这里的无符号数意思是默认二进制最高位不再作为符号位，而是计入数的大小。

其实现是

public static int compareUnsigned(int x, int y) {
        return compare(x + MIN_VALUE, y + MIN_VALUE);
    }

直接为每个值加了Integer的最小值 -231。我们知道 Java 中int类型为4个字节，共32位。符号位占用一位的话，则其范围为-231 到231 - 1。

使用此方法时，所有正数都比负数小。最大值为 -1，因为 -1的二进制所有位均为 1。

也就是1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 > 其它任何32位数。

具体是什么情况呢？

2.1 计算机编码

首先我们知道，在计算机中，所有数都是以二进制存在，也就是0和1的组合。

为了使数字在计算机中运算不出错，出现了原码，反码和补码。原码就是一个数的二进制表示，其中最高位为符号位，表示其正负。

正数的原码反码补码都一样，负数的反码是除符号位以外全部取反，补码为反码加1，如图所示为32位bits（也就是4比特bytes）数的原码反码和补码。

为什么要使用反码和补码呢？用四位二进制数举例：

1的二进制为0001，-1的二进制为1001，如果直接相加，则1 + （-1） = 0，二进制表示为0001 + 1001 = 1010 != 0，所以不能直接使用原码做运算。

后来出现了反码，除符号位之外其他位取反，1001（-1）取反后为1110， 现在做加法 0001 （1） + 1110 （-1） = 1111 。由于1111是负数，所以取反之后才是其真实值，取反后为1000，也就是-0。这能满足条件了，但是美中不足的是，0带了负号。唯一的问题其实就出现在0这个特殊的数值上。 虽然人们理解上+0和-0是一样的， 但是0带符号是没有任何意义的。 而且会有0000原和1000原两个编码表示0。怎么办呢？

人们又想出了补码，它是反码加1。-1的补码是 1111，以上的运算用补码表示就是0001 （1） + 1111 （-1） = 0000 = 0。神奇的发现，这个式子完美契合了十进制加法！

同时我们留出了1000，可以用它表示-8

(-1) + (-7) = (补码) 1111 + 1001 = 1000 = -8。注意，由于此处的-8使用了之前-0的补码来表示，所以-8没有没有原码和反码表示（针对的四位，如果是八位，则没有原码和反码的是-128，依次类推）。

使用补码, 不仅仅修复了0的符号以及存在两个编码的问题, 而且还能够多表示一个最低数. 这就是为什么4位二进制, 使用原码或反码表示的范围为[-7, +7], 而使用补码表示的范围为[-8, 7].

这就是简单的要用反码和补码的原因。

2.2 大数溢出问题

int类型在32位系统中占4个字节、32bit，补码表示的的数据范围为：

[10000000 00000000 00000000 00000000] ~ [01111111 11111111 11111111 11111111]

[−231,231−1]

[-2147483648, 2147483647]

在java中表示为：

[Integer.MIN_VALUE, Integer.MAX_VALUE]

与byte类型的表示一样，由于负数比正数多表示了一个数字。对下限去相反数后的数值会超过上限值，溢出到下限，因此下限的相反数与下限相等；对上限去相反数的数值为负值，该负值比下限的负值大1，在可以表示的范围内，因此上限的相反数是上限直接取负值。

2.3 String类型的compareTo方法

看完Integer后，我们再来看String中compareTo的实现方式：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];     // String的值

    public int compareTo(String anotherString) {
        int len1 = value.length;
        int len2 = anotherString.value.length;
        int lim = Math.min(len1, len2);     // limit， 表示两个String中长度较小的String长度
        char v1[] = value;
        char v2[] = anotherString.value;

        int k = 0;
        while (k < lim) {
            char c1 = v1[k];
            char c2 = v2[k];
            if (c1 != c2) {
                return c1 - c2;     // 如果char不相同，则取其差值
            }
            k++;    // 如果char值相同，则继续往后比较
        }
        return len1 - len2;     // 如果所有0 ~ (lim - 1)的char均相同，则比较两个String的长短
    }
  // 字面意思是对大小写不敏感的比较器
    public static final Comparator<String> CASE_INSENSITIVE_ORDER
                                         = new CaseInsensitiveComparator();
    private static class CaseInsensitiveComparator
            implements Comparator<String>, java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 8575799808933029326L;

        public int compare(String s1, String s2) {  
            int n1 = s1.length();
            int n2 = s2.length();
            int min = Math.min(n1, n2);     // 和上面类似，均是取两个String间的最短长度
            for (int i = 0; i < min; i++) {
                char c1 = s1.charAt(i);
                char c2 = s2.charAt(i);
                if (c1 != c2) {
                    c1 = Character.toUpperCase(c1); // 统一换成大写
                    c2 = Character.toUpperCase(c2); // 统一换成大写
                    if (c1 != c2) {     // 大写如果不相等则再换为小写试试
                        c1 = Character.toLowerCase(c1);
                        c2 = Character.toLowerCase(c2);
                        if (c1 != c2) {     // 到此处则确定不相等
                            // No overflow because of numeric promotion
                            return c1 - c2;
                        }
                    }
                }
            }
            return n1 - n2;
        }

        /** Replaces the de-serialized object. */
        private Object readResolve() { return CASE_INSENSITIVE_ORDER; }
    }
    // String的方法，可以直接使用这个方法和其它String进行比较，
    // 内部实现是调用内部比较器的compare方法
    public int compareToIgnoreCase(String str) {
        return CASE_INSENSITIVE_ORDER.compare(this, str);
    }   
}

String中的关于compare的方法相对复杂一点，但还是比较简单。我们先不看其他的代码，只重点关注compareTo方法。

public int compareTo(String anotherString) {
        int len1 = value.length;
        int len2 = anotherString.value.length;
        int lim = Math.min(len1, len2);     // limit， 表示两个String中长度较小的String长度
        char v1[] = value;
        char v2[] = anotherString.value;

        int k = 0;
        while (k < lim) {
            char c1 = v1[k];
            char c2 = v2[k];
            if (c1 != c2) {
                return c1 - c2;     // 如果char不相同，则取其差值
            }
            k++;    // 如果char值相同，则继续往后比较
        }
        return len1 - len2;     // 如果所有0 ~ (lim - 1)的char均相同，则比较两个String的长短
    }

内容很简洁，就是取两个String的长度中较小的，作为限定值(lim)。之后对数组下标为从0到lim - 1的char变量进行遍历比较，如果遇到不相同的值，返回其差值。一般我们只用其正负性，如果返回负数则说明第一个对象比第二个对象“小”。

例如比较 "abc"和"bcd"，当对各自第一个字符'a'和 'b'进行比较时，发现 'a' != 'b'，则返回 'a' - 'b' ，这个值是负数， char类型的-1，Java会自动将其类型强转为int型。最后得出结论"abc"比"bcd"小。

3. Comparator

   Comparator<T>接口

   public interface Comparator<T> {
   int compare(T o1, T o2);
   }

   这是一个外部排序接口，它的功能是规定“比较大小”的方式。实现它的类可以作为参数传入Collections.sort()或Arrays.sort()，使用它的比较方式进行排序。

   它可以为没有实现Comparable接口的类提供排序方式。

   String类中以及Array类等都有实现此接口的内部类。

   在上面String的源码中就有一个内部的自定义Comparator类CaseInsensitiveComparator， 我们看看它的源码。

   public static final Comparator<String> CASE_INSENSITIVE_ORDER
                                        = new CaseInsensitiveComparator();
   private static class CaseInsensitiveComparator
           implements Comparator<String>, java.io.Serializable {
       private static final long serialVersionUID = 8575799808933029326L;
   
       public int compare(String s1, String s2) {  
           int n1 = s1.length();
           int n2 = s2.length();
           int min = Math.min(n1, n2);     // 和上面类似，均是取两个String间的最短长度
           for (int i = 0; i < min; i++) {
               char c1 = s1.charAt(i);
               char c2 = s2.charAt(i);
               if (c1 != c2) {
                   c1 = Character.toUpperCase(c1); // 统一换成大写
                   c2 = Character.toUpperCase(c2); // 统一换成大写
                   if (c1 != c2) {     // 大写如果不相等则再换为小写试试
                       c1 = Character.toLowerCase(c1);
                       c2 = Character.toLowerCase(c2);
                       if (c1 != c2) {     // 到此处则确定不相等
                           // No overflow because of numeric promotion
                           return c1 - c2;
                       }
                   }
               }
           }
           return n1 - n2;
       }
   
       /** Replaces the de-serialized object. */
       private Object readResolve() { return CASE_INSENSITIVE_ORDER; }
   }
   // String的方法，可以直接使用这个方法和其它String进行比较，
   // 内部实现是调用内部比较器的compare方法
   public int compareToIgnoreCase(String str) {
       return CASE_INSENSITIVE_ORDER.compare(this, str);
   }   
   }

CaseInsensitiveComparator, 字面意思是对大小写不敏感的比较器。

我们观察它的compare方法，可以发现，它和上面的compareTo方法实现类似，都是取两个String中长度较小的，作为限定值min，之后对数组下标为从0到min - 1的char变量进行遍历比较。和上面稍有不同的是，此处先将char字符统一换成大写（upper case）， 如果仍然不相等，再将其换为小写（lower case）比较。一个字母只有大写或者小写两种情形，如果这两种情况都不想等则确定不相等，返回其差值。如果限定值内所有的char都相等的话，再去比较两个String类型的长度。

例如比较 "abC"和"ABc"，compareTo会直接返回 'a' - 'A'，而compareToIgnoreCase方法由于使用了CaseInsensitiveComparator，比较结果最终会返回true。