Java資料結構之物件比較詳解

2022-07-18 18:04:12

1. PriorityQueue中插入物件

優先順序佇列在插入元素時有個要求：插入的元素不能是null或者元素之間必須要能夠進行比較，為了簡單起見，我們只是插入了Integer型別，那優先順序佇列中能否插入自定義型別物件呢？

class Card {
    public int rank;   // 數值
    public String suit; // 花色
    public Card(int rank, String suit) {
    this.rank = rank;
    this.suit = suit;
    }
    }
    
    public class TestPriorityQueue {
    public static void TestPriorityQueue()
    {
    PriorityQueue<Card> p = new PriorityQueue<>();
    p.oﬀer(new Card(1, "♠"));
    p.oﬀer(new Card(2, "♠"));
    }
    
    public static void main(String[] args) {
    TestPriorityQueue();
    }
}

優先順序佇列底層使用堆，而向堆中插入元素時，為了滿足堆的性質，必須要進行元素的比較，而此時Card是沒有辦法直接進行比較的，因此丟擲異常。

2. 元素的比較

2.1 基本型別的比較

在Java中，基本型別的物件可以直接比較大小。

public class TestCompare {
    public static void main(String[] args) {
    int a = 10;
    int b = 20;
    System.out.println(a > b);
    System.out.println(a < b);
    System.out.println(a == b);
    
    char c1 = 'A';
    char c2 = 'B';
    System.out.println(c1 > c2);
    System.out.println(c1 < c2);
    System.out.println(c1 == c2);
    
    boolean b1 = true;
    boolean b2 = false;
    System.out.println(b1 == b2);
    System.out.println(b1 != b2);
    }
}

2.2 物件比較的問題

class Card {
    public int rank;   // 數值
    public String suit; // 花色
    public Card(int rank, String suit) {
    this.rank = rank;
    this.suit = suit;
    }
    }
    
    public class TestPriorityQueue {
    public static void main(String[] args) {
    Card c1 = new Card(1, "♠");
    Card c2 = new Card(2, "♠");
    Card c3 = c1;
    //System.out.println(c1 > c2);  // 編譯報錯
    System.out.println(c1 == c2); // 編譯成功 ----> 列印false ，因為c1和c2指向的是不同物件 //System.out.println(c1 < c2);  // 編譯報錯
    System.out.println(c1 == c3); // 編譯成功 ----> 列印true ，因為c1和c3指向的是同一個物件 }
}

c1、c2和c3分別是Card型別的參照變數，上述程式碼在比較編譯時：

c1 > c2 編譯失敗
c1== c2 編譯成功
c1 < c2 編譯失敗

從編譯結果可以看出， Java中參照型別的變數不能直接按照 > 或者 < 方式進行比較。那為什麼‘==‘可以比較？

因為：對於使用者實現自定義型別，都預設繼承自Object類，而Object類中提供了equal方法，而==預設情況下呼叫的就是equal方法，但是該方法的比較規則是：沒有比較參照變數參照物件的內容，而是直接比較參照變數的地址，但有些情況下該種比較就不符合題意。

比較參照型別的關係：

大小關係
相等關係

以撲克牌的數值和花色為例子：

比較：

//數值比較器
class RankComparator implements Comparator<Card>{

    @Override
    public int compare(Card o1, Card o2) {
        return o1.rank-o2.rank;
    }
    
}
//花色比較器
class SuitComparator implements Comparator<Card>{

    @Override
    public int compare(Card o1, Card o2) {
        return o1.suit.compareTo(o2.suit);
    }
}
public class Test01 {
    
    public static void main(String[] args) {
        //數值比較器
        RankComparator rankComparator=new RankComparator();
        Card card1=new Card(1,"♠");
        Card card2=new Card(2,"♣");
        rankComparator.compare(card1,card2);
        
        //花色比較器
        SuitComparator suitComparator=new SuitComparator();
        System.out.println(suitComparator.compare(card1,card2));
    }
}

// Object中equal的實現 ，可以看到：直接比較的是兩個參照變數的地址
public boolean equals(Object obj) {
return (this == obj);
}

判斷相等：

class Card implements Comparable<Card>{
    public int rank;   // 數值
    public String suit; // 花色
    public Card(int rank, String suit) {
        this.rank = rank;
        this.suit = suit;
    }

    public Card() {
        super();
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return super.hashCode();
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if(this==obj)return true;
        if(obj==null || getClass()!=obj.getClass())return false;
        Card card=(Card)obj;
        return rank== card.rank && Objects.equals(suit,card.suit);
    }

    @Override
    public int compareTo(Card o) {
        return this.rank-o.rank;
    }
}
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {
        Card card1=new Card(1,"♠");
        Card card2=new Card(2,"♠");
        System.out.println(card1==card2);//判斷兩張牌的地址是否相等
        System.out.println(card1.equals(card2));//判斷兩張牌是否相等
        System.out.println(card1.compareTo(card2));//比較兩張牌
    }
}

3. 物件的比較

3.1 覆寫基礎類別的equals

public class Card {
    public int rank;   // 數值
    public String suit; // 花色
    public Card(int rank, String suit) {
    this.rank = rank;
    this.suit = suit;
    }
    
    @Override
    public boolean equals(Object o) {
    // 自己和自己比較
    if (this == o) {
    return true;
    }
    // o如果是null物件 ，或者o不是Card的子類
    if (o == null | | !(o instanceof Card)) {
    return false;
    }
    // 注意基本型別可以直接比較 ，但參照型別最好呼叫其equal方法
    Card c = (Card)o;
    return rank == c.rank
    && suit.equals(c.suit);
    }
}

注意：一般覆寫 equals 的套路就是上面演示的

1、如果指向同一個物件，返回 true

2、如果傳入的為 null，返回 false

3、如果傳入的物件型別不是 Card，返回 false

4、按照類的實現目標完成比較，例如這裡只要花色和數值一樣，就認為是相同的牌

5、注意下呼叫其他參照型別的比較也需要 equals，例如這裡的 suit 的比較

覆寫基礎類別equal的方式雖然可以比較，但缺陷是： equal只能按照相等進行比較，不能按照大於、小於的方式進行比較。

3.2 基於Comparble介面類的比較

Comparble是JDK提供的泛型的比較介面類，原始碼實現具體如下：

public interface Comparable<E> {
    // 返回值:
    // < 0: 表示 this 指向的物件小於 o 指向的物件
    // == 0: 表示 this 指向的物件等於 o 指向的物件
    // > 0: 表示 this 指向的物件大於 o 指向的物件
    int compareTo(E o);
}

對於使用者自定義型別，如果要想按照大小與方式進行比較時：在定義類時，實現Comparble介面即可，然後在類中重寫compareTo方法。

public class Card implements Comparable<Card> { public int rank;   // 數值
    public String suit; // 花色
    public Card(int rank, String suit) {
    this.rank = rank;
    this.suit = suit;
    }
    // 根據數值比較 ，不管花色
    // 這裡我們認為 null 是最小的
    @Override
    public int compareTo(Card o) {
    if (o == null) {
    return 1;
    }
    return rank - o.rank;
    }
    
    public static void main(String[] args){
    Card p = new Card(1, "♠");
    Card q = new Card(2, "♠");
    Card o = new Card(1, "♠");
    System.out.println(p.compareTo(o));    // == 0 ，表示牌相等
    System.out.println(p.compareTo(q));    // < 0 ，表示 p 比較小
    System.out.println(q.compareTo(p));    // > 0 ，表示 q 比較大
    }
}

Compareble是java.lang中的介面類，可以直接使用。

3.3 基於比較器比較

按照比較器方式進行比較，具體步驟如下：

使用者自定義比較器類，實現Comparator介面

public interface Comparator<T> {
// 返回值:
// < 0: 表示 o1 指向的物件小於 o2 指向的物件
// == 0: 表示 o1 指向的物件等於 o2 指向的物件
// > 0: 表示 o1 指向的物件等於 o2 指向的物件
int compare(T o1, T o2);
}

注意：

區分Comparable和Comparator。

覆寫Comparator中的compare方法。
Comparator是java.util 包中的泛型介面類，使用時必須匯入對應的包。
Compareble是java.lang中的介面類，可以直接使用。

import java.util.Comparator;

class Card {
	public int rank;   // 數值
	public String suit; // 花色
	public Card(int rank, String suit) {
	this.rank = rank;
	this.suit = suit;
	}
	}
	
	class CardComparator implements Comparator<Card> {
	// 根據數值比較 ，不管花色
	// 這裡我們認為 null 是最小的
	@Override
	public int compare(Card o1, Card o2) {
	if (o1 == o2) {
	return 0;
	}
	
	if (o1 == null) {
	return -1;
	}
	if (o2 == null) {
	return 1;
	}
	
	return o1.rank - o2.rank;
	}
	
	public static void main(String[] args){
	Card p = new Card(1, "♠");
	Card q = new Card(2, "♠");
	Card o = new Card(1, "♠");
	// 定義比較器物件
	CardComparator cmptor = new CardComparator();
	// 使用比較器物件進行比較
	System.out.println(cmptor.compare(p, o)); System.out.println(cmptor.compare(p, q)); System.out.println(cmptor.compare(q, p));
	}
}

3.4 三種方式的對比

覆寫的方法	說明
Object.equals	因為所有類都是繼承自 Object 的，所以直接覆寫即可，不過只能比較相等與否
Comparable.compareTo	需要手動實現介面，侵入性比較強，但一旦實現，每次用該類都有順序，屬於內部順序
Comparator.compare	需要實現一個比較器物件，對待比較類的侵入性弱，但對演演算法程式碼實現侵入性強

4.集合框架中PriorityQueue的比較方式

集合框架中的PriorityQueue底層使用堆結構，因此其內部的元素必須要能夠比大小， PriorityQueue採用了： Comparble和Comparator兩種方式。

1.Comparble是預設的內部比較方式，如果使用者插入自定義型別物件時，該類物件必須要實現Comparble接口，並覆寫compareTo方法

2.使用者也可以選擇使用比較器物件，如果使用者插入自定義型別物件時，必須要提供一個比較器類，讓該類實現 Comparator介面並覆寫compare方法。

// JDK中PriorityQueue的實現：
public class PriorityQueue<E> extends AbstractQueue<E>
    implements java.io.Serializable {
    // ...
    // 預設容量
    private static ﬁnal int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 11;
    // 內部定義的比較器物件 ，用來接收使用者範例化PriorityQueue物件時提供的比較器物件
    private ﬁnal Comparator<? super E> comparator;
    // 使用者如果沒有提供比較器物件 ，使用預設的內部比較 ，將comparator置為null
    public PriorityQueue() {
    this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, null);
    }
    // 如果使用者提供了比較器 ，採用使用者提供的比較器進行比較
    public PriorityQueue(int initialCapacity, Comparator<? super E> comparator) {
    // Note: This restriction of at least one is not actually needed,
    // but continues for 1.5 compatibility
    if (initialCapacity < 1)
    throw new IllegalArgumentException();
    this.queue = new Object[initialCapacity];
    this.comparator = comparator;
    }
    
    // ...
    // 向上調整：
    // 如果使用者沒有提供比較器物件 ，採用Comparable進行比較
    // 否則使用使用者提供的比較器物件進行比較
    private void siftUp(int k, E x) {
    if (comparator != null)
    siftUpUsingComparator(k, x);
    else
    siftUpComparable(k, x);
    }
    // 使用Comparable
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private void siftUpComparable(int k, E x) {
    Comparable<? super E> key = (Comparable<? super E>) x;
    while (k > 0) {
    int parent = (k - 1) >>> 1;
    Object e = queue[parent];
    if (key.compareTo((E) e) >= 0)
    break;
    queue[k] = e;
    k = parent;
    }
    queue[k] = key;
    }
    // 使用使用者提供的比較器物件進行比較
    @SuppressWarnings("unchecked")
    
    private void siftUpUsingComparator(int k, E x) {
    while (k > 0) {
    int parent = (k - 1) >>> 1;
    Object e = queue[parent];
    if (comparator.compare(x, (E) e) >= 0) break;
    queue[k] = e;
    k = parent;
    }
    queue[k] = x;
    }
}

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