Java集合或Map中元素排序及过滤

在Java中，对集合或Map中元素进行排序或过滤是一个频繁操作。这里以List为例介绍下如何在集合中实现元素的排序和过滤功能。对于非List元素(Set、Map)等，一方面可以参考List使用类似的方法，另一方面可以将其转换成List并执行相关方法，关于Set或Map等与List的转换，可以参考笔者之前的文章。

排序

在日常的开发中，开发人员经常使用数据库的排序能力对待查询的数据进行排序。但是，业务上也会遇到没有数据库的场景，如数据存储在文件中，且数据量不大，这个时候就需要在内存中排序。对于内存排序，在算法领域也将其称之为内部排序。常见的内部排序算法有：快速排序、冒泡排序、归并排序、堆排序等。在日常的开发工作中，不推荐自己实现一个排序算法，而是推荐优先使用类库已提供的排序方法。对于List中元素排序，这里推荐使用Collections.sort方法或Stream.sorted方法。

使用Collections.sort方法

JDK提供Collections.sort方法用于实现集合元素排序。查看该方法源码如下：

// Collections.java
public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list) {
    list.sort(null);
}

查看源码可知，Collections.sort方法只能用于List。所以，对于Set或Map，则需先先将其转换成List方可使用。进一步深入List源码实现：

// List.java
default void sort(Comparator<? super E> c) {
    Object[] a = this.toArray();
    Arrays.sort(a, (Comparator) c);
    ListIterator<E> i = this.listIterator();
    for (Object e : a) {
        i.next();
        i.set((E) e);
    }
}

// Arrays.java
public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) {
    if (c == null) {
        sort(a);
    } else {
        if (LegacyMergeSort.userRequested)
            legacyMergeSort(a, c);
        else
            TimSort.sort(a, 0, a.length, c, null, 0, 0);
    }
}

List在实现排序时，复用了数组的排序。而数组在实现排序时，使用归并排序实现元素排序。这里不再进一步深入归并排序的源码，有兴趣的同学可以自行查看相关源码。
接下来将给出使用示例：

List<Integer> originalList = new ArrayList<>();
originalList.add(1);
originalList.add(100);
originalList.add(50);
originalList.add(20);
originalList.add(35);
originalList.add(2);
Collections.sort(originalList, Integer::compareTo);
// 排序后，List的值为：
// [1, 2, 20, 35, 50, 100]

由于Integer实现了Comparable接口，所以上面的代码还可以进一步简写成Collections.sort(originalList)。当不指定比较器时，该方法会调用集合中元素所属类实现的排序方法。
进一步分析，这里并没有指定是升序还是降序时，可以看到当不指定生效还是降序时，默认是升序。这与数据库的默认排序规则是一样的。但在实际的应用中，有些场景也需要降序。对于List，Collections并不支持指定降序，有两种方法可以实现，一种是实现一个降序的比较器，另一种则是将这个已升序的数组进行翻转。这里给出Collections提供基于翻转实现降序的示例：

List<Integer> originalList = new ArrayList<>();
originalList.add(1);
originalList.add(100);
originalList.add(50);
originalList.add(20);
originalList.add(35);
originalList.add(2);
Collections.sort(originalList, Integer::compareTo);
Collections.reverse(originalList);
// 排序后，List的值为：
// [100, 50, 35, 20, 2, 1]

使用Stream.sorted方法

Java 8 新增流处理能力，可以使用Stream.sorted方法实现集合中元素排序。示例代码如下：

List<Integer> originalList = new ArrayList<>();
originalList.add(1);
originalList.add(100);
originalList.add(50);
originalList.add(20);
originalList.add(35);
originalList.add(2);
List<Integer> sortedList = originalList.stream().sorted(Integer::compareTo).collect(Collectors.toList());
// 排序后，List的值为：
// [1, 2, 20, 35, 50, 100]

多字段排序

上面讨论的是单字段的排序，适用集合中存储的元素是Integer、Long、String等基本类型的包装器类型场景，对于元素是对象场景，特别需要对对象中多个字段进行排序时，其处理略有不同。
对多字段排序，本质上是实现一个多字段的比较器。假设要从候选人中选取合格者，候选人定义如下：

class Candidate {
    int id;
    int programGrade;
    int technologyGrade;

    public Candidate(int id, int programGrade, int technologyGrade) {
        this.id = id;
        this.programGrade = programGrade;
        this.technologyGrade = technologyGrade;
    }

    public int getTechnologyGrade() {
        return this.technologyGrade;
    }

    public int getProgramGrade() {
        return this.programGrade;
    }

    public int getId() {
        return this.id;
    }
}

对候选人，假设有如下选取规则： 优选选取技术面试分数较高者；如果技术面试分数相同，则优先录取编程考试分数较高者；如果编程考试分数还相同，则录取id较小者。分析该应用场景，需要对多字段进行排序，具体来说，优先基于技术面试分数倒排，然后基于编程考试分数倒排，最后基于id升序排序（id一定不同）。使用Collections.sort和Stream.sorted分别实现该场景排序，示例代码如下：

public static void sortCandidateByCollections(List<Candidate> candidateList) {
    Collections.sort(candidateList, (o1, o2) -> {
        if (o1.technologyGrade != o2.technologyGrade) {
            return o2.technologyGrade - o1.technologyGrade;
        }
        if (o1.programGrade != o2.programGrade) {
            return o2.programGrade - o1.programGrade;
        }
        return o1.id - o2.id;
    });
}

public static List<?> sortCandidateByStream(List<Candidate> candidateList) {
    return candidateList.stream().sorted((o1, o2) -> {
        if (o1.technologyGrade != o2.technologyGrade) {
            return o2.technologyGrade - o1.technologyGrade;
        }
        if (o1.programGrade != o2.programGrade) {
            return o2.programGrade - o1.programGrade;
        }
        return o1.id - o2.id;
    }).collect(Collectors.toList());
}

public static List<?> sortCandidateByStreamInSimple(List<Candidate> candidateList) {
    return candidateList.stream().sorted(
            Comparator.comparing(Candidate::getTechnologyGrade)
                .thenComparing(Candidate::getProgramGrade)
                .thenComparing(Candidate::getId))
        .collect(Collectors.toList());
}

Collections.sort和Stream.sorted对比

从升序、降序，单字段、多字段场景，可以看到Collections.sort和Stream.sorted本质上都是对比较器的使用。但是两者在使用上有差异：
(1) Collections.sort会改变原来的数据，Stream.sorted不会改变原来的数据。如果期望Stream.sorted生成新的数据，还需另外处理。
(2) Collections.sort是静态方法，Stream.sorted是实例方法，两个方法的生命周期不同。
(3) Stream.sorted提供更多的简洁写法，且多数据场景下，支持并发处理。

过滤

除了排序，还有一种场景就是从集合中过滤出感兴趣的数据(也可理解成过滤掉不感兴趣的数据)。Java 8 之前通过遍历集合的方式实现，Java 8 之后(包含Java 8)，可以使用Stream的filter方法实现。示例代码如下：

public static List<String> filterByForEach(List<String> languageList) {
    List<String> result = new ArrayList<>();
    for (String language : languageList) {
        if ("java".equals(language)) {
            result.add(language);
        }
    }
    return result;
}

public static List<String> filterByStream(List<String> languageList) {
    return languageList.stream()
            .filter(line -> !"java".equals(line))
            .collect(Collectors.toList());
}

参考

https://blog.csdn.net/w727655308/article/details/109959749 Java 实现多字段排序
https://juejin.cn/post/7083318717748084743 Java stream 多字段排序踩坑
https://segmentfault.com/a/1190000020158145 Java8 Streams filter 使用