Java编程：Comparable接口与类成员可访问性优化

### Java编程：Comparable接口与类成员可访问性优化 #### 1. 实现Comparable接口 在Java编程中，`Comparable` 接口是一个非常有用的工具。与 `Object` 类中的方法不同，`compareTo` 方法是 `Comparable` 接口中唯一的方法。它与 `Object` 的 `equals` 方法类似，但除了简单的相等比较外，还允许进行顺序比较，并且具有泛型特性。 当一个类实现了 `Comparable` 接口时，这表明该类的实例具有自然排序。对实现了 `Comparable` 接口的对象数组进行排序非常简单，只需使用 `Arrays.sort(a)` 即可。同时，搜索、计算极值以及维护自动排序的集合也变得很容易。例如，下面的程序利用 `String` 实现了 `Comparable` 接口的特性，打印出命令行参数的字母排序列表，并消除了重复项： ```java public class WordList { public static void main(String[] args) { Set<String> s = new TreeSet<String>(); Collections.addAll(s, args); System.out.println(s); } } ``` 通过实现 `Comparable` 接口，你的类可以与许多依赖该接口的通用算法和集合实现进行交互，只需付出很少的努力就能获得强大的功能。实际上，Java平台库中的几乎所有值类都实现了 `Comparable` 接口。如果你正在编写一个具有明显自然排序（如字母顺序、数字顺序或时间顺序）的值类，强烈建议实现该接口： ```java public interface Comparable<T> { int compareTo(T t); } ``` #### 2. compareTo方法的通用约定 `compareTo` 方法的通用约定与 `equals` 方法类似：将此对象与指定对象进行顺序比较，根据此对象小于、等于或大于指定对象，返回负整数、零或正整数。如果指定对象的类型无法与该对象进行比较，则抛出 `ClassCastException`。 具体约定如下： - 对于所有的 `x` 和 `y`，实现者必须确保 `sgn(x.compareTo(y)) == -sgn(y.compareTo(x))`。这意味着当且仅当 `y.compareTo(x)` 抛出异常时，`x.compareTo(y)` 才必须抛出异常。 - 实现者还必须确保关系是可传递的：如果 `x.compareTo(y) > 0` 且 `y.compareTo(z) > 0`，则 `x.compareTo(z) > 0`。 - 最后，实现者必须确保对于所有的 `z`，如果 `x.compareTo(y) == 0`，则 `sgn(x.compareTo(z)) == sgn(y.compareTo(z))`。 - 强烈建议但并非严格要求 `(x.compareTo(y) == 0) == (x.equals(y))`。一般来说，任何实现了 `Comparable` 接口并违反此条件的类都应明确指出这一事实，推荐的表述是“Note: This class has a natural ordering that is inconsistent with equals.” 虽然这个约定看起来具有一定的数学性质，但实际上并不复杂。在一个类内部，任何合理的排序都能满足该约定。与 `equals` 方法不同，`compareTo` 方法在不同类之间不一定需要工作，如果比较的两个对象引用指向不同类的对象，允许抛出 `ClassCastException`。通常，这正是 `compareTo` 方法应该做的，并且如果类被正确参数化，它也会这样做。 违反 `compareTo` 约定的类可能会破坏依赖比较的其他类，如 `TreeSet`、`TreeMap` 以及包含搜索和排序算法的 `Collections` 和 `Arrays` 工具类。 下面是 `compareTo` 约定条款的详细解释表格： | 条款 | 解释 | | ---- | ---- | | `sgn(x.compareTo(y)) == -sgn(y.compareTo(x))` | 比较方向反转时结果符合预期，且异常抛出情况一致 | | 传递性 `(x.compareTo(y) > 0 && y.compareTo(z) > 0) implies x.compareTo(z) > 0` | 若 `x` 大于 `y`，`y` 大于 `z`，则 `x` 大于 `z` | | `x.compareTo(y) == 0 implies sgn(x.compareTo(z)) == sgn(y.compareTo(z))` | 比较相等的对象与其他对象比较时结果相同 | | `(x.compareTo(y) == 0) == (x.equals(y))`（建议） | 顺序比较相等时对象相等 | 以下是 `compareTo` 方法约定的流程 mermaid 图： ```mermaid graph LR A[开始比较 x 和 y] --> B{x.compareTo(y) 结果} B -->|负整数| C[x 小于 y] B -->|零| D[x 等于 y] B -->|正整数| E[x 大于 y] C --> F{反转比较 y 和 x} F -->|正整数| G[y 大于 x] D --> H{与 z 比较} H --> I{sgn(x.compareTo(z)) == sgn(y.compareTo(z))} E --> J{反转比较 y 和 x} J -->|负整数| K[y 小于 x] ``` #### 3. 编写compareTo方法 编写 `compareTo` 方法与编写 `equals` 方法类似，但有一些关键区别。由于 `Comparable` 接口是参数化的，`compareTo` 方法是静态类型的，因此不需要对其参数进行类型检查或强制类型转换。如果参数类型错误，调用甚至无法编译。如果参数为 `null`，调用应该抛出 `NullPointerException`。 `compareTo` 方法中的字段比较是顺序比较而非相等比较。对于对象引用字段，可以递归调用 `compareTo` 方法进行比较。如果某个字段未实现 `Comparable` 接口，或者需要使用非标准排序，可以使用显式的 `Comparator`。例如，`CaseInsensitiveString` 类的 `compareTo` 方法： ```java public final class CaseInsensitiveString implements Comparable<CaseInsensitiveString> { public int compareTo(CaseInsensitiveString cis) { return String.CASE_INSENSITIVE_ORDER.compare(s, cis.s); } ... // Remainder omitted } ``` 需要注意的是，`CaseInsensitiveString` 类实现了 `Comparable<CaseInsensitiveString>`，这意味着 `CaseInsensitiveString` 引用只能与其他 `CaseInsensitiveString` 引用进行比较，这是声明类实现 `Comparable` 接口时的常见模式。 对于整数原始字段，可以使用关系运算符 `<` 和 `>` 进行比较。对于浮点字段，应使用 `Double.compare` 或 `Float.compare` 代替关系运算符，因为关系运算符在应用于浮点值时不遵守 `compareTo` 方法的通用约定。对于数组字段，应将这些准则应用于每个元素。 如果一个类有多个重要字段，比较它们的顺序至关重要。必须从最重要的字段开始，依次向下比较。如果比较结果不为零（表示相等），则直接返回结果；如果最重要的字段相等，则继续比较下一个最重要的字段，依此类推。如果所有字段都相等，则对象相等，返回零。例如，`PhoneNumber` 类的 `compareTo` 方法： ```java public int compareTo(PhoneNumber pn) { // Compare area codes if (areaCode < pn.areaCode) return -1; if (areaCode > pn.areaCode) return 1; // Area codes are equal, compare prefixes if (prefix < pn.prefix) return -1; if (prefix > pn.prefix) return 1; // Area codes and prefixes are equal, compare line numbers if ( ```