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Java 核心 API 深度解析：Comparable、Comparator 與有序集合

編輯：Java 相關知識

物件排序是資料處理的基石。Java 透過 Comparable（自然順序）與 Comparator（外部比較器）雙軌制，配合 SortedSet/SortedMap 實現強大的有序集合體系。本文從介面定義、實作範例、進階技巧到有序介面完整剖析。

Comparable：自然順序的契約

public interface Comparable<T> {
    int compareTo(T o);
}

回傳負/零/正分別代表「小於/等於/大於」。String、Date、包裝類型等 JDK 核心類均實作此介面。

標準實作範本：Name 類別

public class Name implements Comparable<Name> {
    private final String firstName, lastName; // 不變性

    public Name(String first, String last) {
        if (first == null || last == null) throw new NullPointerException();
        this.firstName = first; this.lastName = last;
    }

    // equals/hashCode 必須一致
    public boolean equals(Object o) { ... }
    public int hashCode() { return 31*firstName.hashCode() + lastName.hashCode(); }
    public String toString() { return firstName + " " + lastName; }

    // 比較邏輯：姓氏優先，再名字
    public int compareTo(Name n) {
        int lastCmp = lastName.compareTo(n.lastName);
        return (lastCmp != 0) ? lastCmp : firstName.compareTo(n.firstName);
    }
}

關鍵點：

不可變物件：作為 Set 元素/Map 鍵的必要條件
equals/hashCode/compareTo **三者語義一致**
compareTo 標準模式：主要鍵比較 → 次要鍵 → …
拋出 ClassCastException 處理型別不符（而非回傳 false）

排序演示

List<Name> list = Arrays.asList(
    new Name("John", "Lennon"),
    new Name("Karl", "Marx"),
    new Name("Groucho", "Marx"),
    new Name("Oscar", "Grouch")
);
Collections.sort(list);
// [Oscar Grouch, John Lennon, Groucho Marx, Karl Marx]

Comparator：外部排序策略


public interface Comparator<T> {
    int compare(T o1, T o2);
}

封裝排序邏輯，適用於：

非自然順序排序
不實作 Comparable 的類別
同一類別多種排序需求

案例：員工資歷排序


// EmployeeRecord 自然順序按姓名排序
// 需求：按雇用日期倒序（資歷深者優先）

// 版本 1：簡單但有缺陷
Comparator<EmployeeRecord> SENIORITY_ORDER = (r1, r2) ->
    r2.hireDate().compareTo(r1.hireDate()); // 倒序

// 缺陷：雇用日相同視為「相等」，TreeSet 會視為重複元素丟棄

修正：實作 Total Ordering（全序）

Comparator<EmployeeRecord> SENIORITY_ORDER = (r1, r2) -> {
    int dateCmp = r2.hireDate().compareTo(r1.hireDate());
    if (dateCmp != 0) return dateCmp;
    // 次要鍵：員工編號唯一識別
    return Integer.compare(r1.employeeNumber(), r2.employeeNumber());
};

陷阱警示：切勿用 r1.num() - r2.num() 替代 Integer.compare —— 整數溢出會違反傳遞性，導致極難排查的錯誤。

SortedSet 介面完整解析

public interface SortedSet<E> extends Set<E> {
    // 區間視圖
    SortedSet<E> subSet(E from, E to);      // [from, to)
    SortedSet<E> headSet(E to);              // [首, to)
    SortedSet<E> tailSet(E from);            // [from, 尾]

    // 端點
    E first(); E last();

    // 比較器存取
    Comparator<? super E> comparator(); // 自然順序回傳 null
}

區間視圖特性

**即時視圖**：底層集合修改即時反映，端點為元素空間絕對位置（非索引）
**長期有效**：異於 List.subList，可長期持有使用
半開區間 [low, high)，含低不含高

實用技巧


// 統計 "doorbell" 到 "pickle" 之間單詞數（含低不含高）
int count = dict.subSet("doorbell", "pickle").size();

// 刪除所有以 'f' 開頭的元素
dict.subSet("f", "g").clear();

// 閉區間 [low, high] 技巧：high 後附加 '\0'
int count = dict.subSet("doorbell", "pickle\0").size();

// 開區間 (low, high) 技巧：low 後附加 '\0'
int count = dict.subSet("doorbell\0", "pickle").size();

// 分冊視圖
SortedSet<String> vol1 = dict.headSet("n"); // a-m
SortedSet<String> vol2 = dict.tailSet("n"); // n-z

端點操作與反向迭代難題

first()/last() 取首尾元素
反向迭代無直接支援，慣用語：ss.headSet(o).last() 取得 o 的前驅，但效率低（每次查找）

SortedMap 介面：Map 視角的完全對等

public interface SortedMap<K,V> extends Map<K,V> {
    Comparator<? super K> comparator();
    SortedMap<K,V> subMap(K from, K to);
    SortedMap<K,V> headMap(K to);
    SortedMap<K,V> tailMap(K from);
    K firstKey(); K lastKey();
}

所有 SortedSet 慣用語透過「鍵/值/項視圖」直接映射至 SortedMap，僅需微調型別。