Java Arrays.sort源代碼解析
前提：
當用到scala的sortWith，發現：
def sortWith(lt: (A, A) ? Boolean): List[A] // A為列表元素類型
根據指定比較函數lt進行排序，且排序是穩定的，
最終實質上是調用 java.util.Arrays.sort進行排序的。
eg: List(1, -3, 4, 2, 6) sortWith (_ < _) //res48: List[Int] = List(-3, 1, 2, 4, 6)
故，到去了解一下 java.util.Arrays.sort 的方法，網上收拾，看到如下寫的不錯，就搬到這裏供學習了。
Java Arrays中提供了對所有類型的排序。其中主要分為Primitive(8種基本類型)和Object兩大類。
基本類型：采用調優的快速排序；
對象類型：采用改進的歸並排序。
一、對於基本類型源碼分析如下（以int[]為例）：
Java對Primitive（int，float等原型數據）數組采用快速排序，對Object對象數組采用歸並排序。對這一區別，sun在<<The Java Tutorial>>中做出的解釋如下：
The sort operation uses a slightly optimized merge sort algorithm that is fast and stable:
* Fast: It is guaranteed to run in n log(n) time and runs substantially faster on nearly sorted lists. Empirical tests showed it to be as fast as a highly optimized quicksort. A quicksort is generally considered to be faster than a merge sort but isn‘t stable and doesn‘t guarantee n log(n) performance.
* Stable: It doesn‘t reorder equal elements. This is important if you sort the same list repeatedly on different attributes. If a user of a mail program sorts the inbox by mailing date and then sorts it by sender, the user naturally expects that the now-contiguous list of messages from a given sender will (still) be sorted by mailing date. This is guaranteed only if the second sort was stable.
也就是說，優化的歸並排序既快速（nlog(n)）又穩定。
對於對象的排序，穩定性很重要。比如成績單，一開始可能是按人員的學號順序排好了的，現在讓我們用成績排，那麽你應該保證，本來張三在李四前面，即使他們成績相同，張三不能跑到李四的後面去。
而快速排序是不穩定的，而且最壞情況下的時間復雜度是O(n^2)。
另外，對象數組中保存的只是對象的引用，這樣多次移位並不會造成額外的開銷，但是，對象數組對比較次數一般比較敏感，有可能對象的比較比單純數的比較開銷大很多。歸並排序在這方面比快速排序做得更好，這也是選擇它作為對象排序的一個重要原因之一。
排序優化：實現中快排和歸並都采用遞歸方式，而在遞歸的底層，也就是待排序的數組長度小於7時，直接使用冒泡排序，而不再遞歸下去。
分析：長度為6的數組冒泡排序總比較次數最多也就1+2+3+4+5+6=21次，最好情況下只有6次比較。而快排或歸並涉及到遞歸調用等的開銷，其時間效率在n較小時劣勢就凸顯了，因此這裏采用了冒泡排序，這也是對快速排序極重要的優化。
源碼中的快速排序，主要做了以下幾個方面的優化：
1）當待排序的數組中的元素個數較少時，源碼中的閥值為7，采用的是插入排序。盡管插入排序的時間復雜度為0(n^2)，但是當數組元素較少時，插入排序優於快速排序，因為這時快速排序的遞歸操作影響性能。
2）較好的選擇了劃分元（基準元素）。能夠將數組分成大致兩個相等的部分，避免出現最壞的情況。例如當數組有序的的情況下，選擇第一個元素作為劃分元，將使得算法的時間復雜度達到O(n^2).
源碼中選擇劃分元的方法:
當數組大小為 size=7 時 ，取數組中間元素作為劃分元。int n=m>>1;(此方法值得借鑒)
當數組大小 7<size<=40時，取首、中、末三個元素中間大小的元素作為劃分元。
當數組大小 size>40 時 ，從待排數組中較均勻的選擇9個元素，選出一個偽中數做為劃分元。
3）根據劃分元 v ，形成不變式 v* (<v)* (>v)* v*
普通的快速排序算法，經過一次劃分後，將劃分元排到素組較中間的位置，左邊的元素小於劃分元，右邊的元素大於劃分元，而沒有將與劃分元相等的元素放在其附近，這一點，在Arrays.sort()中得到了較大的優化。
舉例：15、93、15、41、6、15、22、7、15、20
因 7<size<=40,所以在15、6、和20 中選擇v = 15 作為劃分元。
經過一次換分後： 15、15、7、6、41、20、22、93、15、15. 與劃分元相等的元素都移到了素組的兩邊。
接下來將與劃分元相等的元素移到數組中間來，形成：7、6、15、15、15、15、41、20、22、93.
最後遞歸對兩個區間進行排序[7、6]和[41、20、22、93].
部分源代碼（一）如下：
1 package com.util;
2
3 public class ArraysPrimitive {
4 private ArraysPrimitive() {}
5
6 /**
7 * 對指定的 int 型數組按數字升序進行排序。
8 */
9 public static void sort(int[] a) {
10 sort1(a, 0, a.length);
11 }
12
13 /**
14 * 對指定 int 型數組的指定範圍按數字升序進行排序。
15 */
16 public static void sort(int[] a, int fromIndex, int toIndex) {
17 rangeCheck(a.length, fromIndex, toIndex);
18 sort1(a, fromIndex, toIndex - fromIndex);
19 }
20
21 private static void sort1(int x[], int off, int len) {
22 /*
23 * 當待排序的數組中的元素個數小於 7 時，采用插入排序 。
24 *
25 * 盡管插入排序的時間復雜度為O(n^2),但是當數組元素較少時， 插入排序優於快速排序，因為這時快速排序的遞歸操作影響性能。
26 */
27 if (len < 7) {
28 for (int i = off; i < len + off; i++)
29 for (int j = i; j > off && x[j - 1] > x[j]; j--)
30 swap(x, j, j - 1);
31 return;
32 }
33 /*
34 * 當待排序的數組中的元素個數大於 或等於7 時，采用快速排序 。
35 *
36 * Choose a partition element, v
37 * 選取一個劃分元，V
38 *
39 * 較好的選擇了劃分元(基準元素)。能夠將數組分成大致兩個相等的部分，避免出現最壞的情況。例如當數組有序的的情況下，
40 * 選擇第一個元素作為劃分元，將使得算法的時間復雜度達到O(n^2).
41 */
42 // 當數組大小為size=7時 ，取數組中間元素作為劃分元。
43 int m = off + (len >> 1);
44 // 當數組大小 7<size<=40時，取首、中、末 三個元素中間大小的元素作為劃分元。
45 if (len > 7) {
46 int l = off;
47 int n = off + len - 1;
48 /*
49 * 當數組大小 size>40 時 ，從待排數組中較均勻的選擇9個元素，
50 * 選出一個偽中數做為劃分元。
51 */
52 if (len > 40) {
53 int s = len / 8;
54 l = med3(x, l, l + s, l + 2 * s);
55 m = med3(x, m - s, m, m + s);
56 n = med3(x, n - 2 * s, n - s, n);
57 }
58 // 取出中間大小的元素的位置。
59 m = med3(x, l, m, n); // Mid-size, med of 3
60 }
61
62 //得到劃分元V
63 int v = x[m];
64
65 // Establish Invariant: v* (<v)* (>v)* v*
66 int a = off, b = a, c = off + len - 1, d = c;
67 while (true) {
68 while (b <= c && x[b] <= v) {
69 if (x[b] == v)
70 swap(x, a++, b);
71 b++;
72 }
73 while (c >= b && x[c] >= v) {
74 if (x[c] == v)
75 swap(x, c, d--);
76 c--;
77 }
78 if (b > c)
79 break;
80 swap(x, b++, c--);
81 }
82 // Swap partition elements back to middle
83 int s, n = off + len;
84 s = Math.min(a - off, b - a);
85 vecswap(x, off, b - s, s);
86 s = Math.min(d - c, n - d - 1);
87 vecswap(x, b, n - s, s);
88 // Recursively sort non-partition-elements
89 if ((s = b - a) > 1)
90 sort1(x, off, s);
91 if ((s = d - c) > 1)
92 sort1(x, n - s, s);
93 }
94
95 /**
96 * Swaps x[a] with x[b].
97 */
98 private static void swap(int x[], int a, int b) {
99 int t = x[a];
100 x[a] = x[b];
101 x[b] = t;
102 }
103
104 /**
105 * Swaps x[a .. (a+n-1)] with x[b .. (b+n-1)].
106 */
107 private static void vecswap(int x[], int a, int b, int n) {
108 for (int i=0; i<n; i++, a++, b++)
109 swap(x, a, b);
110 }
111
112 /**
113 * Returns the index of the median of the three indexed integers.
114 */
115 private static int med3(int x[], int a, int b, int c) {
116 return (x[a] < x[b] ? (x[b] < x[c] ? b : x[a] < x[c] ? c : a)
117 : (x[b] > x[c] ? b : x[a] > x[c] ? c : a));
118 }
119
120 /**
121 * Check that fromIndex and toIndex are in range, and throw an
122 * appropriate exception if they aren‘t.
123 */
124 private static void rangeCheck(int arrayLen, int fromIndex, int toIndex) {
125 if (fromIndex > toIndex)
126 throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex
127 + ") > toIndex(" + toIndex + ")");
128 if (fromIndex < 0)
129 throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(fromIndex);
130 if (toIndex > arrayLen)
131 throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(toIndex);
132 }
133 }
測試代碼如下：
1 package com.test;
2
3 import com.util.ArraysPrimitive;
4
5 public class ArraysTest {
6 public static void main(String[] args) {
7 int [] a={15,93,15,41,6,15,22,7,15,20};
8 ArraysPrimitive.sort(a);
9 for(int i=0;i<a.length;i++){
10 System.out.print(a[i]+",");
11 }
12 //結果：6,7,15,15,15,15,20,22,41,93,
13 }
14 }
二、對於Object類型源碼分析如下：
部分源代碼（二）如下：
1 package com.util;
2
3 import java.lang.reflect.Array;
4
5 public class ArraysObject {
6 private static final int INSERTIONSORT_THRESHOLD = 7;
7
8 private ArraysObject() {}
9
10 public static void sort(Object[] a) {
11 //java.lang.Object.clone()，理解深表復制和淺表復制
12 Object[] aux = (Object[]) a.clone();
13 mergeSort(aux, a, 0, a.length, 0);
14 }
15
16 public static void sort(Object[] a, int fromIndex, int toIndex) {
17 rangeCheck(a.length, fromIndex, toIndex);
18 Object[] aux = copyOfRange(a, fromIndex, toIndex);
19 mergeSort(aux, a, fromIndex, toIndex, -fromIndex);
20 }
21
22 /**
23 * Src is the source array that starts at index 0
24 * Dest is the (possibly larger) array destination with a possible offset
25 * low is the index in dest to start sorting
26 * high is the end index in dest to end sorting
27 * off is the offset to generate corresponding low, high in src
28 */
29 private static void mergeSort(Object[] src, Object[] dest, int low,
30 int high, int off) {
31 int length = high - low;
32
33 // Insertion sort on smallest arrays
34 if (length < INSERTIONSORT_THRESHOLD) {
35 for (int i = low; i < high; i++)
36 for (int j = i; j > low &&
37 ((Comparable) dest[j - 1]).compareTo(dest[j]) > 0; j--)
38 swap(dest, j, j - 1);
39 return;
40 }
41
42 // Recursively sort halves of dest into src
43 int destLow = low;
44 int destHigh = high;
45 low += off;
46 high += off;
47 /*
48 * >>>：無符號右移運算符
49 * expression1 >>> expresion2：expression1的各個位向右移expression2
50 * 指定的位數。右移後左邊空出的位數用0來填充。移出右邊的位被丟棄。
51 * 例如：-14>>>2； 結果為：1073741820
52 */
53 int mid = (low + high) >>> 1;
54 mergeSort(dest, src, low, mid, -off);
55 mergeSort(dest, src, mid, high, -off);
56
57 // If list is already sorted, just copy from src to dest. This is an
58 // optimization that results in faster sorts for nearly ordered lists.
59 if (((Comparable) src[mid - 1]).compareTo(src[mid]) <= 0) {
60 System.arraycopy(src, low, dest, destLow, length);
61 return;
62 }
63
64 // Merge sorted halves (now in src) into dest
65 for (int i = destLow, p = low, q = mid; i < destHigh; i++) {
66 if (q >= high || p < mid
67 && ((Comparable) src[p]).compareTo(src[q]) <= 0)
68 dest[i] = src[p++];
69 else
70 dest[i] = src[q++];
71 }
72 }
73
74 /**
75 * Check that fromIndex and toIndex are in range, and throw an appropriate
76 * exception if they aren‘t.
77 */
78 private static void rangeCheck(int arrayLen, int fromIndex, int toIndex) {
79 if (fromIndex > toIndex)
80 throw new IllegalArgumentException("fromIndex(" + fromIndex
81 + ") > toIndex(" + toIndex + ")");
82 if (fromIndex < 0)
83 throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(fromIndex);
84 if (toIndex > arrayLen)
85 throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(toIndex);
86 }
87
88 public static <T> T[] copyOfRange(T[] original, int from, int to) {
89 return copyOfRange(original, from, to, (Class<T[]>) original.getClass());
90 }
91
92 public static <T, U> T[] copyOfRange(U[] original, int from, int to,
93 Class<? extends T[]> newType) {
94 int newLength = to - from;
95 if (newLength < 0)
96 throw new IllegalArgumentException(from + " > " + to);
97 T[] copy = ((Object) newType == (Object) Object[].class)
98 ? (T[]) new Object[newLength]
99 : (T[]) Array.newInstance(newType.getComponentType(), newLength);
100 System.arraycopy(original, from, copy, 0,
101 Math.min(original.length - from, newLength));
102 return copy;
103 }
104
105 /**
106 * Swaps x[a] with x[b].
107 */
108 private static void swap(Object[] x, int a, int b) {
109 Object t = x[a];
110 x[a] = x[b];
111 x[b] = t;
112 }
113 }
測試代碼如下：
1 package com.test;
2
3 import com.util.ArraysObject;
4
5 public class ArraysObjectSortTest {
6 public static void main(String[] args) {
7 Student stu1=new Student(1001,100.0F);
8 Student stu2=new Student(1002,90.0F);
9 Student stu3=new Student(1003,90.0F);
10 Student stu4=new Student(1004,95.0F);
11 Student[] stus={stu1,stu2,stu3,stu4};
12 //Arrays.sort(stus);
13 ArraysObject.sort(stus);
14 for(int i=0;i<stus.length;i++){
15 System.out.println(stus[i].getId()+" : "+stus[i].getScore());
16 }
17 /* 1002 : 90.0
18 * 1003 : 90.0
19 * 1004 : 95.0
20 * 1001 : 100.0
21 */
22 }
23 }
24 class Student implements Comparable<Student>{
25 private int id; //學號
26 private float score; //成績
27 public Student(){}
28 public Student(int id,float score){
29 this.id=id;
30 this.score=score;
31 }
32 @Override
33 public int compareTo(Student s) {
34 return (int)(this.score-s.getScore());
35 }
36 public int getId() {
37 return id;
38 }
39 public void setId(int id) {
40 this.id = id;
41 }
42 public float getScore() {
43 return score;
44 }
45 public void setScore(float score) {
46 this.score = score;
47 }
48 }
輔助理解代碼：
1 package com.lang;
2
3 public final class System {
4 //System 類不能被實例化。
5 private System() {}
6 //在 System 類提供的設施中，有標準輸入、標準輸出和錯誤輸出流；對外部定義的屬性
7 //和環境變量的訪問；加載文件和庫的方法；還有快速復制數組的一部分的實用方法。
8 /**
9 * src and dest都必須是同類型或者可以進行轉換類型的數組．
10 * @param src the source array.
11 * @param srcPos starting position in the source array.
12 * @param dest the destination array.
13 * @param destPos starting position in the destination data.
14 * @param length the number of array elements to be copied.
15 */
16 public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest,
17 int destPos, int length);
18 }
1 package com.lang.reflect;
2
3 public final class Array {
4 private Array() {}
5
6 //創建一個具有指定的組件類型和維度的新數組。
7 public static Object newInstance(Class<?> componentType, int length)
8 throws NegativeArraySizeException {
9 return newArray(componentType, length);
10 }
11
12 private static native Object newArray(Class componentType, int length)
13 throws NegativeArraySizeException;
14 }
參考：https://www.cnblogs.com/gw811/archive/2012/10/04/2711746.html
Java Arrays.sort源代碼解析