Java Arrays源码剖析

Java中有一个类Arrays,包含一些对数组操作的静态方法，本文主要就来讨论这些方法以避免重新造轮子，在需要的时候自己实现它不具备的功能。

toString

Arrays的toString()方法可以方便地输出一个数组的字符串形式，以便查看。它有9个重载的方法，下面列举两个常用的方法分析

public static String toString(int[] a)
public static String toString(Object[] a)

如果尝试直接输出数组，会输出元素类型@地址，使用toString后才会输出带[]格式的数组

除此之外，toString也被很多容器直接作为成员方法，方便打印查看

排序

用Java写算法题的时候，比较复杂的题目会先对输入的数组进行排序，语法上用Arrays.sort()

public static void sort(int[] a)
public static void sort(double[] a)

如果元素是对象类型，那么对象需要实现Comparable接口。

public static  void sort(T[] a, Comparator c)
public static  void sort(T[] a, int fromIndex, int toIndex, Comparator c)

Comparator就是比较器，Java中的定义如下

public interface Comparator {
    int compare(T ol, T o2);
    boolean equals(Object obj);
}

最主要的是compare这个方法，它比较两个对象，返回一个表示比较结果的值，-1表示o1小于o2,0表示o1等于o2,1表示o1大于o2。排序是通过比较来实现的，sort方法在排序的过程中需要对对象进行比较的时候，就调用比较器的compare方法。

为进一步理解Comparator,我们来看下String中比较器的主要实现代码

private static class CaseInsensitiveComparator implements Comparator {
    public int compare(String s1, String s2) {
        int n1 = s1.length();
        int n2 = s2.length();
        int min = Math.min(n1, n2);
        
        for (int i = 0; i < min; i++) {
            char c1 = s1.charAt(i);
            char c2 = s2.charAt(i);
            
            if (c1 != c2) {
                c1 = Character.toUpperCase(c1);
                c2 = Character.toUpperCase(c2);
                
                if (c1 != c2) {
                    c1 = Character.toLowerCase(c1);
                    c2 = Character.toLowerCase(c2);
                    
                    if (c1 != c2) {
                        // No overflow because of numeric promotion
                        return c1 - c2;
                    }
                }
            }
        }
        
        return n1 - n2;
    }
}

代码会逐个比较两个字符串 s1 和 s2 中对应位置上的字符，如果发现字符不相等，则将它们转换为大写字母后再次比较。如果转换后依然不相等，则继续比较下一个字符。在循环结束后，将最后一个字符转换为小写字母后再次比较，如果仍然不相等，则返回最后一个字符的差值。如果所有字符都相等，则比较两个字符串的长度，返回长度差值。

传递比较器Comparator给sort方法，体现了程序设计中一种重要的思维方式。将不变和变化相分离，排序的基本步骤和算法是不变的，但按什么排序是变化的，sort方法将不变的算法设计为主体逻辑，而将变化的排序方式设计为参数，允许调用者动态指定，这也是一种常见的设计模式，称为策略模式，不同的排序方式就是不同的策略。

针对sort算法的底层实现，如果数组长度比较小，会采用效率较高的插入排序。当数组长度足够大时，对于基本类型的数组，Java7之前采用的算法是普通的快速排序，Java7及以后采用的算法是双枢轴快速排序(Dual-PivotQuicksort)，实现代码位于类java.util.DualPivotQuicksort中。

传统的快速排序算法选择一个基准元素，然后将数组分成两部分，其中一部分包含小于等于基准元素的元素，另一部分包含大于基准元素的元素。分别对这两部分进行递归排序，最终得到有序的数组。

双枢轴快速排序在选择基准元素时，选择两个基准元素，通常是左边和右边的元素。然后将数组分成三个部分：小于第一个基准元素、介于两个基准元素之间、大于第二个基准元素。分别对这三部分进行递归排序。由于双枢轴快速排序同时处理两个基准元素，它可以更快地将数组分成更小的部分，并且在某些情况下可以减少比较和交换的次数。这使得双轴快速排序相对于传统的单轴快速排序更快。

对于对象类型，Java采用的算法是TimSort。TimSort也是在Java7引入的，在此之前，Java采用的是归并排序。TimSort实际上是对归并排序的一系列优化，位于类java.util.TimSort中。

TimSort算法的基本思路：

• 遍历数组，识别出局部有序的run，并使用插入排序对每个run进行排序。
• 将排序好的run按照一定规则进行归并，直到整个数组有序。

这样TimSort算法结合了归并排序和插入排序的特性，在大多数情况下能够利用数据的局部有序性。

查找

Arrays包含很多与sort对应的查找方法，可以在已排序的数组中进行二分查找。二分查找是从中间开始查找，如果小于中间元素，则在前半部分查找，否则在后半部分查找，每比较一次，要么找到，要么将查找范围缩小一半，所以查找效率非常高。

二分查找既可以针对基本类型数组，也可以针对对象数组，对对象数组，也可以传递Comparator,也可以指定查找范围。比如，针对int数组：

public static int binarySearch(int[] a, int key)
public static int binarySearch(int[] a, int fromIndex, int toIndex, int key)

针对对象数组，需要对象拥有或者指定比较器

public static  int binarySearch(T[] a, T key, Comparator c)

二分查找的代码相信大家都非常熟悉，源码中选用左闭右开的区间

private static  int binarySearch0(T[] a, int fromIndex, int toIndex,
                                        T key, Comparator c) {
       int low = fromIndex;
       int high = toIndex - 1;
       while(low <= high) {
           int mid = (low + high) >>> 1;
           T midVal = a[mid];
           int cmp = c.compare(midVal, key);
           if(cmp < 0)
               low = mid + 1;
           else if(cmp > 0)
               high = mid - 1;
           else
               return mid; //key found
    }
       return -(low + 1);  //key not found
}

其他方法

equals

判断两个数组是否相同，支持基本类型和对象类型。只有数组长度相同，且每个元素都相同，才返回true,否则返回false。

public static boolean equals(boolean[] a, boolean[] a2)
public static boolean equals(Object[] a, Object[] a2)

填充

Arrays包含很多fill方法，可以给数组中的每个元素设置一个相同的值：

public static void fill(int[] a, int val)

也可以给数组中一个给定范围的每个元素设置一个相同的值：

public static void fill(int[] a, int fromIndex, int toIndex, int val)

实际使用发现fill的参数不能是二维数组，只能一层一层填充

hashCode

计算hashCode的算法和String是类似的

public static int hashCode(int a[]) {
       if(a == null)
           return 0;
       int result = 1;
       for(int element : a)
           result = 31 * result + element;
       return result;
   }

代码中将每个元素的值进行累加，并且每次累加都乘以一个固定的质数。这样做的目的是为了使得不同的数组具有不同的哈希值，并且尽可能减少哈希冲突。