8.5 排序 · Java 編程思想

# 8.5 排序 Java 1.0和1.1庫都缺少的一樣東西是算術運算，甚至沒有最簡單的排序運算方法。因此，我們最好創建一個`Vector`，利用經典的`Quicksort`（快速排序）方法對其自身進行排序。編寫通用的排序代碼時，面臨的一個問題是必須根據對象的實際類型來執行比較運算，從而實現正確的排序。當然，一個辦法是為每種不同的類型都寫一個不同的排序方法。然而，應認識到假若這樣做，以后增加新類型時便不易實現代碼的重復利用。程序設計一個主要的目標就是“將發生變化的東西同保持不變的東西分隔開”。在這里，保持不變的代碼是通用的排序算法，而每次使用時都要變化的是對象的實際比較方法。因此，我們不可將比較代碼“硬編碼”到多個不同的排序例程內，而是采用“回調”技術。利用回調，經常發生變化的那部分代碼會封裝到它自己的類內，而總是保持相同的代碼則“回調”發生變化的代碼。這樣一來，不同的對象就可以表達不同的比較方式，同時向它們傳遞相同的排序代碼。下面這個“接口”（`Interface`）展示了如何比較兩個對象，它將那些“要發生變化的東西”封裝在內： ``` //: Compare.java // Interface for sorting callback: package c08; interface Compare { boolean lessThan(Object lhs, Object rhs); boolean lessThanOrEqual(Object lhs, Object rhs); } ///:~ ``` 對這兩種方法來說，`lhs`代表本次比較中的“左手”對象，而`rhs`代表“右手”對象。可創建`Vector`的一個子類，通過`Compare`實現“快速排序”。對于這種算法，包括它的速度以及原理等等，在此不具體說明。欲知詳情，可參考Binstock和Rex編著的《Practical Algorithms for Programmers》，由Addison-Wesley于1995年出版。 ``` //: SortVector.java // A generic sorting vector package c08; import java.util.*; public class SortVector extends Vector { private Compare compare; // To hold the callback public SortVector(Compare comp) { compare = comp; } public void sort() { quickSort(0, size() - 1); } private void quickSort(int left, int right) { if(right > left) { Object o1 = elementAt(right); int i = left - 1; int j = right; while(true) { while(compare.lessThan( elementAt(++i), o1)) ; while(j > 0) if(compare.lessThanOrEqual( elementAt(--j), o1)) break; // out of while if(i >= j) break; swap(i, j); } swap(i , right); quickSort(left, i-1); quickSort(i+1, right); } } private void swap(int loc1, int loc2) { Object tmp = elementAt(loc1); setElementAt(elementAt(loc2), loc1); setElementAt(tmp, loc2); } } ///:~ ``` 現在，大家可以明白“回調”一詞的來歷，這是由于`quickSort()`方法“往回調用”了`Compare`中的方法。從中亦可理解這種技術如何生成通用的、可重復利用（復用）的代碼。為使用`SortVector`，必須創建一個類，令其為我們準備排序的對象實現`Compare`。此時內部類并不顯得特別重要，但對于代碼的組織卻是有益的。下面是針對`String`對象的一個例子： ``` //: StringSortTest.java // Testing the generic sorting Vector package c08; import java.util.*; public class StringSortTest { static class StringCompare implements Compare { public boolean lessThan(Object l, Object r) { return ((String)l).toLowerCase().compareTo( ((String)r).toLowerCase()) < 0; } public boolean lessThanOrEqual(Object l, Object r) { return ((String)l).toLowerCase().compareTo( ((String)r).toLowerCase()) <= 0; } } public static void main(String[] args) { SortVector sv = new SortVector(new StringCompare()); sv.addElement("d"); sv.addElement("A"); sv.addElement("C"); sv.addElement("c"); sv.addElement("b"); sv.addElement("B"); sv.addElement("D"); sv.addElement("a"); sv.sort(); Enumeration e = sv.elements(); while(e.hasMoreElements()) System.out.println(e.nextElement()); } } ///:~ ``` 內部類是“靜態”（`Static`）的，因為它毋需連接一個外部類即可工作。大家可以看到，一旦設置好框架，就可以非常方便地重復使用象這樣的一個設計——只需簡單地寫一個類，將“需要發生變化”的東西封裝進去，然后將一個對象傳給`SortVector`即可。比較時將字符串強制為小寫形式，所以大寫`A`會排列于小寫`a`的旁邊，而不會移動一個完全不同的地方。然而，該例也顯示了這種方法的一個不足，因為上述測試代碼按照出現順序排列同一個字母的大寫和小寫形式：`A a b B c C d D`。但這通常不是一個大問題，因為經常處理的都是更長的字符串，所以上述效果不會顯露出來（Java 1.2的集合提供了排序功能，已解決了這個問題）。繼承（`extends`）在這兒用于創建一種新類型的`Vector`——也就是說，`SortVector`屬于一種`Vector`，并帶有一些附加的功能。繼承在這里可發揮很大的作用，但了帶來了問題。它使一些方法具有了`final`屬性（已在第7章講述），所以不能覆蓋它們。如果想創建一個排好序的`Vector`，令其只接收和生成`String`對象，就會遇到麻煩。因為`addElement()`和`elementAt()`都具有`final`屬性，而且它們都是我們必須覆蓋的方法，否則便無法實現只能接收和產生`String`對象。但在另一方面，請考慮采用“組合”方法：將一個對象置入一個新類的內部。此時，不是改寫上述代碼來達到這個目的，而是在新類里簡單地使用一個`SortVector`。在這種情況下，用于實現`Compare`接口的內部類就可以“匿名”地創建。如下所示： ``` //: StrSortVector.java // Automatically sorted Vector that // accepts and produces only Strings package c08; import java.util.*; public class StrSortVector { private SortVector v = new SortVector( // Anonymous inner class: new Compare() { public boolean lessThan(Object l, Object r) { return ((String)l).toLowerCase().compareTo( ((String)r).toLowerCase()) < 0; } public boolean lessThanOrEqual(Object l, Object r) { return ((String)l).toLowerCase().compareTo( ((String)r).toLowerCase()) <= 0; } } ); private boolean sorted = false; public void addElement(String s) { v.addElement(s); sorted = false; } public String elementAt(int index) { if(!sorted) { v.sort(); sorted = true; } return (String)v.elementAt(index); } public Enumeration elements() { if(!sorted) { v.sort(); sorted = true; } return v.elements(); } // Test it: public static void main(String[] args) { StrSortVector sv = new StrSortVector(); sv.addElement("d"); sv.addElement("A"); sv.addElement("C"); sv.addElement("c"); sv.addElement("b"); sv.addElement("B"); sv.addElement("D"); sv.addElement("a"); Enumeration e = sv.elements(); while(e.hasMoreElements()) System.out.println(e.nextElement()); } } ///:~ ``` 這樣便可快速復用來自`SortVector`的代碼，從而獲得希望的功能。然而，并不是來自`SortVector`和`Vector`的所有`public`方法都能在`StrSortVector`中出現。若按這種形式復用代碼，可在新類里為包含類內的每一個方法都生成一個定義。當然，也可以在剛開始時只添加少數幾個，以后根據需要再添加更多的。新類的設計最終會穩定下來。這種方法的好處在于它仍然只接納`String`對象，也只產生`String`對象。而且相應的檢查是在編譯期間進行的，而非在運行期。當然，只有`addElement()`和`elementAt()`才具備這一特性；`elements()`仍然會產生一個`Enumeration`（枚舉），它在編譯期的類型是未定的。當然，對`Enumeration`以及在`StrSortVector`中的類型檢查會照舊進行；如果真的有什么錯誤，運行期間會簡單地產生一個異常。事實上，我們在編譯或運行期間能保證一切都正確無誤嗎？（也就是說，“代碼測試時也許不能保證”，以及“該程序的用戶有可能做一些未經我們測試的事情”）。盡管存在其他選擇和爭論，使用繼承都要容易得多，只是在轉換時讓人深感不便。同樣地，一旦為Java加入參數化類型，就有望解決這個問題。大家在這個類中可以看到有一個名為`sorted`的標志。每次調用`addElement()`時，都可對`Vector`進行排序，而且將其連續保持在一個排好序的狀態。但在開始讀取之前，人們總是向一個`Vector`添加大量元素。所以與其在每個`addElement()`后排序，不如一直等到有人想讀取`Vector`，再對其進行排序。后者的效率要高得多。這種除非絕對必要，否則就不采取行動的方法叫作“懶惰求值”（還有一種類似的技術叫作“懶惰初始化”——除非真的需要一個字段值，否則不進行初始化）。