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OpenJDK 源码阅读之 Arrays
概要
- 类继承关系
java.lang.Object java.util.Arrays
- 定义
public class Arrays extends Object
- 要点
此类主要是提供了一些操作数组的方法，比如排序啊，搜索啊。也提供一个工厂，用于将数组当成一个 List。
实现
- quick sort
public static void sort(int[] a) { DualPivotQuicksort.sort(a); }
sort 使用了 util 中的另一个类中的方法，DualPivotQuicksort.sort ，比一般的快排要快。时间复杂度 O(n log(n))。
这里并没有使用泛型，而是针对具体类型，调用 sort，例如：
public static void sort(float[] a) { DualPivotQuicksort.sort(a); }
DualPivotQuicksort 的实现细节会在以后具体讲述这个类的源代码时讲。现在只讲这个类中的内容。
- merge sort
private static void mergeSort(Object[] src, Object[] dest, int low, int high, int off, Comparator c) { 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 && c.compare(dest[j-1], 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; int mid = (low + high) >>> 1; mergeSort(dest, src, low, mid, -off, c); mergeSort(dest, src, mid, high, -off, c); // 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 (c.compare(src[mid-1], 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 && c.compare(src[p], src[q]) <= 0) dest[i] = src[p++]; else dest[i] = src[q++]; } }
当数组元素个数少时，用插入排序，插入排序的原理是，在一个已经排序的列表中插入一个元素，使得插入后，列表仍然是排序的。具体到代码，每一次，内层循环开始前，[low,i-1] 的所有元素是已经排序的，内层循环执行后，[low, i] 的所有元素是已经排序的。i最终会等于 high-1，所有最后一层内层循环后，[low, high-1]中所有元素都是已经排序的。
合并排序 merge sort 的原理是，通过递归，先使得前一半元素，和后一半元素使用合并排序排好，然后将他们合并，合并后，整个列表是有序的。合并时，两部分元素上面各有一个指针指向当前元素，每次将两个指针指向的元素进行比较，并选择其中一个，复制到目标数组，然后将其指针前移。如此循环。
注意代码中有一个优化，如果两半元素排序后，前一半的最大元素小于后一半的最小元素，那么不用比较，直接合并。
不过这个函数已经要废弃了，现在用的是 sort ，即使用快排。
- TimSort
public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) { if (LegacyMergeSort.userRequested) legacyMergeSort(a, c); else TimSort.sort(a, c); }
对提供了 Comparator 的排序调用，这里使用了 TimSort，根据注释中的解释，这是采用 Tim Peters 在 Python 的 list 中的排序，原始论文参见：Peter McIlroy‘s "Optimistic Sorting and Information Theoretic Complexity", in Proceedings of the Fourth Annual ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms, pp 467-474, January 1993。这个算法对已经大致排好序的列表，花费的时间比 O(n log(n)) 少很多，对随机的数据，退化为 merge sort。
- binarySearch
// Like public version, but without range checks. private static int binarySearch0(long[] a, int fromIndex, int toIndex, long key) { int low = fromIndex; int high = toIndex - 1; while (low <= high) { int mid = (low + high) >>> 1; long midVal = a[mid]; if (midVal < key) low = mid + 1; else if (midVal > key) high = mid - 1; else return mid; // key found } return -(low + 1); // key not found. }
对已经排序的元素，可以使用二分搜索，一次可以排除一半元素，复杂度 O(log(n))。
可以注意到，这也是针对具体类型编写的。如果使用泛型，那么需要告诉算法如何比较元素。这样，基本类型就需要使用对应的类来表示，而对数组而言，基本类型无法自动转化成对应的类。真是。。。哎。。。。Java 为什么要保留基本类型呢？
- equals
public static boolean equals(long[] a, long[] a2) { if (a==a2) return true; if (a==null || a2==null) return false; int length = a.length; if (a2.length != length) return false; for (int i=0; i<length; i++) if (a[i] != a2[i]) return false; return true; }
遍历比较，毫无疑问，又是每种类型，一个函数。保留基本类型真是正确的选择吗？
- fill
public static void fill(long[] a, long val) { for (int i = 0, len = a.length; i < len; i++) a[i] = val; }
使用一个元素，去填充数组的所有元素。
- copyOf
public static short[] copyOf(short[] original, int newLength) { short[] copy = new short[newLength]; System.arraycopy(original, 0, copy, 0, Math.min(original.length, newLength)); return copy; }
使用 System.arraycopy 复制，方便，省心，不自己循环！
- asList
public static <T> List<T> asList(T... a) { return new ArrayList<>(a); }
就是直接生成一个 ArrayList，只不过这个 ArrayList 是 Arrays 中的私有类。
- ArrayList
private static class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements RandomAccess, java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = -2764017481108945198L; private final E[] a; ArrayList(E[] array) { if (array==null) throw new NullPointerException(); a = array; } public int size() { return a.length; } public Object[] toArray() { return a.clone(); } public <T> T[] toArray(T[] a) { int size = size(); if (a.length < size) return Arrays.copyOf(this.a, size, (Class<? extends T[]>) a.getClass()); System.arraycopy(this.a, 0, a, 0, size); if (a.length > size) a[size] = null; return a; } public E get(int index) { return a[index]; } public E set(int index, E element) { E oldValue = a[index]; a[index] = element; return oldValue; } public int indexOf(Object o) { if (o==null) { for (int i=0; i<a.length; i++) if (a[i]==null) return i; } else { for (int i=0; i<a.length; i++) if (o.equals(a[i])) return i; } return -1; } public boolean contains(Object o) { return indexOf(o) != -1; } }
因为之前分析过 ArrayList ，这个是个针对数组的简单版本，就不具体分析了。
- hashCode
public static int hashCode(long a[]) { if (a == null) return 0; int result = 1; for (long element : a) { int elementHash = (int)(element ^ (element >>> 32)); result = 31 * result + elementHash; } return result; }
又看到了常见的 hashcode 模式：
result = 31 * result + elementHash;
不过那个 element ^ (element >>> 32) 是嘛意思，注意这里的 element 是 long 类型，64位，这里是将高 32 位与低 32 位作了 ^ 运算，再转型成 int 。这是因为 hashCode 是 32 位的。再看看 int 数组的 hashCode 就正常多了。
public static int hashCode(int a[]) { if (a == null) return 0; int result = 1; for (int element : a) result = 31 * result + element; return result; }
另外， boolean 类型的数组猜一猜 hashCode 如何确定？
public static int hashCode(boolean a[]) { if (a == null) return 0; int result = 1; for (boolean element : a) result = 31 * result + (element ? 1231 : 1237); return result; }
这是将 true 和 false 变成了两个数字，1231, 1237。为什么要换成这两个数字呢？还不太清楚，不过总的原因就是减少碰撞，看来有必要研究一下哈希函数的设计了。
- deepXXX
先看看 deepHashCode:
public static int deepHashCode(Object a[]) { if (a == null) return 0; int result = 1; for (Object element : a) { int elementHash = 0; if (element instanceof Object[]) elementHash = deepHashCode((Object[]) element); else if (element instanceof byte[]) elementHash = hashCode((byte[]) element); else if (element instanceof short[]) elementHash = hashCode((short[]) element); else if (element instanceof int[]) elementHash = hashCode((int[]) element); else if (element instanceof long[]) elementHash = hashCode((long[]) element); else if (element instanceof char[]) elementHash = hashCode((char[]) element); else if (element instanceof float[]) elementHash = hashCode((float[]) element); else if (element instanceof double[]) elementHash = hashCode((double[]) element); else if (element instanceof boolean[]) elementHash = hashCode((boolean[]) element); else if (element != null) elementHash = element.hashCode(); result = 31 * result + elementHash; } return result; }
这是需要根据 Object 数组中的每一个的具体类型，来决定当前元素的哈希值。
同理，可以看看 deepEquals:
public static boolean deepEquals(Object[] a1, Object[] a2) { if (a1 == a2) return true; if (a1 == null || a2==null) return false; int length = a1.length; if (a2.length != length) return false; for (int i = 0; i < length; i++) { Object e1 = a1[i]; Object e2 = a2[i]; if (e1 == e2) continue; if (e1 == null) return false; // Figure out whether the two elements are equal boolean eq = deepEquals0(e1, e2); if (!eq) return false; } return true; } static boolean deepEquals0(Object e1, Object e2) { assert e1 != null; boolean eq; if (e1 instanceof Object[] && e2 instanceof Object[]) eq = deepEquals ((Object[]) e1, (Object[]) e2); else if (e1 instanceof byte[] && e2 instanceof byte[]) eq = equals((byte[]) e1, (byte[]) e2); else if (e1 instanceof short[] && e2 instanceof short[]) eq = equals((short[]) e1, (short[]) e2); else if (e1 instanceof int[] && e2 instanceof int[]) eq = equals((int[]) e1, (int[]) e2); else if (e1 instanceof long[] && e2 instanceof long[]) eq = equals((long[]) e1, (long[]) e2); else if (e1 instanceof char[] && e2 instanceof char[]) eq = equals((char[]) e1, (char[]) e2); else if (e1 instanceof float[] && e2 instanceof float[]) eq = equals((float[]) e1, (float[]) e2); else if (e1 instanceof double[] && e2 instanceof double[]) eq = equals((double[]) e1, (double[]) e2); else if (e1 instanceof boolean[] && e2 instanceof boolean[]) eq = equals((boolean[]) e1, (boolean[]) e2); else eq = e1.equals(e2); return eq; }
同样需要根据类型来比较每个元素是否相等。
- toString
public static String toString(long[] a) { if (a == null) return "null"; int iMax = a.length - 1; if (iMax == -1) return "[]"; StringBuilder b = new StringBuilder(); b.append(‘[‘); for (int i = 0; ; i++) { b.append(a[i]); if (i == iMax) return b.append(‘]‘).toString(); b.append(", "); } }
同样，每个基本类型都有相应的函数，使用 StringBuilder，具体如何将 long 转化成 String ，由 StringBuilder 来确定。