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文章出自：安卓进阶学习指南

作者：shixinzhang

完稿日期：2017.10.25

Collections 和 Arrays 是 JDK 为我们提供的常用工具类，方便我们操作集合和数组。

这次之所以总结这个，是因为在一次面试中被问到一个细节，回答地不太好，这里补一下吧。

由于两个都是工具类，我们就放在一起学习。

读完本文你将了解：

文章出处
Collections
- 提供的多种内部类
- 提供的多种集合操作方法
  - 排序
  - 二分查找
  - 反转列表
  - 打乱列表中的元素
  - 填充列表
  - 求出集合中最小大值
  - 查找子列表最早出现的索引
总结
Thanks

Collections

Collections 从名字就可以看出来，是对集合的操作，它提供了一系列内部类集合，主要为以下类型：

不可变集合
同步的集合
有类型检查的集合
空集合
只含一个元素的集合

还提供了一系列很有用的静态方法，主要包括以下功能：

排序
二分查找
反转
打乱
交换元素位置
复制
求出集合中最小/大值

我们先来看内部类的实现。

提供的多种内部类

1.不可变集合

有时候我们拿到一部分数据，这个数据不允许修改、删除，只允许读取，我们可以使用 Collections.unmodifiableXXX() 方法来实现。

Collections 提供了对以下集合的不可变支持：

这里写图片描述

我们选几个看一下源码。

首先看下最大范围的 Collections.unmodifiableCollection(c) 方法，它可以返回一个容器的包装类，这个包装类的添加、替换、删除操作都会抛出异常 UnsupportedOperationException。

public static <T> Collection<T> unmodifiableCollection(Collection<? extends T> c) {
    return new UnmodifiableCollection<>(c);
}

//一个不可变的集合
static class UnmodifiableCollection<E> implements Collection<E>, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1820017752578914078L;

    final Collection<? extends E> c;

    UnmodifiableCollection(Collection<? extends E> c) {
        if (c==null)
            throw new NullPointerException();
        this.c = c;
    }

    //普通查询操作都是支持的，没什么特别
    public int size()                   {return c.size();}
    public boolean isEmpty()            {return c.isEmpty();}
    public boolean contains(Object o)   {return c.contains(o);}
    public Object[] toArray()           {return c.toArray();}
    public <T> T[] toArray(T[] a)       {return c.toArray(a);}
    public String toString()            {return c.toString();}

    public Iterator<E> iterator() {
        return new Iterator<E>() {
            private final Iterator<? extends E> i = c.iterator();

            public boolean hasNext() {return i.hasNext();}
            public E next()          {return i.next();}
            public void remove() {    //迭代器的 remove 也不支持
                throw new UnsupportedOperationException();
            }
            @Override
            public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
                // Use backing collection version
                i.forEachRemaining(action);
            }
        };
    }

    //这里开始一系列修改操作就不支持了
    public boolean add(E e) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public boolean remove(Object o) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public boolean containsAll(Collection<?> coll) {
        return c.containsAll(coll);
    }
    public boolean addAll(Collection<? extends E> coll) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public boolean removeAll(Collection<?> coll) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public boolean retainAll(Collection<?> coll) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public void clear() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    // Override default methods in Collection
    @Override
    public void forEach(Consumer<? super E> action) {
        c.forEach(action);
    }

    @Override
    public boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

剩下的也基本一样了，再看个 Collections.unmodifiableList() 吧：

public static <T> List<T> unmodifiableList(List<? extends T> list) {
    return (list instanceof RandomAccess ?
            new UnmodifiableRandomAccessList<>(list) :
            new UnmodifiableList<>(list));
}

static class UnmodifiableList<E> extends UnmodifiableCollection<E>
                              implements List<E> {
    private static final long serialVersionUID = -283967356065247728L;

    final List<? extends E> list;

    UnmodifiableList(List<? extends E> list) {
        super(list);
        this.list = list;
    }

    public boolean equals(Object o) {return o == this || list.equals(o);}
    public int hashCode()           {return list.hashCode();}

    public E get(int index) {return list.get(index);}
    public E set(int index, E element) {    //不支持
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public void add(int index, E element) { //不支持
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public E remove(int index) {//不支持
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public int indexOf(Object o)            {return list.indexOf(o);}
    public int lastIndexOf(Object o)        {return list.lastIndexOf(o);}
    public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    @Override
    public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    @Override
    public void sort(Comparator<? super E> c) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    public ListIterator<E> listIterator()   {return listIterator(0);}

    public ListIterator<E> listIterator(final int index) {
        return new ListIterator<E>() {
            private final ListIterator<? extends E> i
                = list.listIterator(index);

            public boolean hasNext()     {return i.hasNext();}
            public E next()              {return i.next();}
            public boolean hasPrevious() {return i.hasPrevious();}
            public E previous()          {return i.previous();}
            public int nextIndex()       {return i.nextIndex();}
            public int previousIndex()   {return i.previousIndex();}

            public void remove() {
                throw new UnsupportedOperationException();
            }
            public void set(E e) {
                throw new UnsupportedOperationException();
            }
            public void add(E e) {
                throw new UnsupportedOperationException();
            }

            @Override
            public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
                i.forEachRemaining(action);
            }
        };
    }

    public List<E> subList(int fromIndex, int toIndex) {
        return new UnmodifiableList<>(list.subList(fromIndex, toIndex));
    }
}

其他类型的不可变集合也基本是这样的，用一个包装器类，持有实际集合类的引用，只对外提供查询的方法，增删改的通通抛异常。

2.同步的集合

如果你需要将一个集合的所有操作都设置为线程安全的，Collections.synchronizedXXX() 是一种方法。

Collections 提供了对以下集合的同步化支持：

这里写图片描述

我们选几个典型的看看实现。

public static <T> Collection<T> synchronizedCollection(Collection<T> c) {
    return new SynchronizedCollection<>(c);
}

//第二个参数是用于同步的对象
static <T> Collection<T> synchronizedCollection(Collection<T> c, Object mutex) {
    return new SynchronizedCollection<>(c, mutex);
}

static class SynchronizedCollection<E> implements Collection<E>, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 3053995032091335093L;

    final Collection<E> c;  // 实际的集合
    final Object mutex;     // 同步的对象

    SynchronizedCollection(Collection<E> c) {
        this.c = Objects.requireNonNull(c);
        mutex = this;
    }

    SynchronizedCollection(Collection<E> c, Object mutex) {
        this.c = Objects.requireNonNull(c);
        this.mutex = Objects.requireNonNull(mutex);
    }

    public int size() {
        synchronized (mutex) {return c.size();}
    }
    public boolean isEmpty() {
        synchronized (mutex) {return c.isEmpty();}
    }
    public boolean contains(Object o) {
        synchronized (mutex) {return c.contains(o);}
    }
    public Object[] toArray() {
        synchronized (mutex) {return c.toArray();}
    }
    public <T> T[] toArray(T[] a) {
        synchronized (mutex) {return c.toArray(a);}
    }

    public Iterator<E> iterator() {
        return c.iterator(); // 迭代器没有进行同步操作，需要使用者自己同步
    }

    public boolean add(E e) {
        synchronized (mutex) {return c.add(e);}
    }
    public boolean remove(Object o) {
        synchronized (mutex) {return c.remove(o);}
    }

    public boolean containsAll(Collection<?> coll) {
        synchronized (mutex) {return c.containsAll(coll);}
    }
    public boolean addAll(Collection<? extends E> coll) {
        synchronized (mutex) {return c.addAll(coll);}
    }
    public boolean removeAll(Collection<?> coll) {
        synchronized (mutex) {return c.removeAll(coll);}
    }
    public boolean retainAll(Collection<?> coll) {
        synchronized (mutex) {return c.retainAll(coll);}
    }
    public void clear() {
        synchronized (mutex) {c.clear();}
    }
    public String toString() {
        synchronized (mutex) {return c.toString();}
    }
    // Override default methods in Collection
    @Override
    public void forEach(Consumer<? super E> consumer) {
        synchronized (mutex) {c.forEach(consumer);}
    }
    @Override
    public boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
        synchronized (mutex) {return c.removeIf(filter);}
    }
    @Override
    public Spliterator<E> spliterator() {
        return c.spliterator(); // Must be manually synched by user!
    }
    @Override
    public Stream<E> stream() {
        return c.stream(); // Must be manually synched by user!
    }
    @Override
    public Stream<E> parallelStream() {
        return c.parallelStream(); // Must be manually synched by user!
    }
    private void writeObject(ObjectOutputStream s) throws IOException {
        synchronized (mutex) {s.defaultWriteObject();}
    }
}

可以看到实现很简单，几乎在所有方法上都添加了 synchronized，这样得到的集合在并发环境中效率可是大打折扣。要是对准确率要求比性能高，可以用用。

不过需要注意的是，我们在使用 Collections.synchronizedCollection(c) 返回的迭代器时，需要手动对迭代器进行同步，比如这样：

Collection c = Collections.synchronizedCollection(myCollection);
  ...
  synchronized (c) {
     Iterator i = c.iterator(); // Must be in the synchronized block
     while (i.hasNext())
        foo(i.next());
  }

否则在迭代时有并发操作，可能会导致不确定性问题。

其他的同步集合也都类似，暴力的使用了 synchronized，没什么特别的，就不赘述了。

3.有类型检查的集合

日常开发中我们经常需要使用 Object 作为返回值，然后在具体的使用处强转成指定的类型，在这个强转的过程中，编译器无法检测出强转是否成功。

这时我们就可以使用 Collections.checkedXXX(c, type) 方法创建一个只保存某个类型数据的集合，在添加时会进行类型检查操作。

虽然使用泛型也可以实现在编译时检查，但在运行时，泛型擦除成 Object，最终还是需要强转。

Collections 提供了对以下集合的类型检查：

这里写图片描述

Collections.checkedCollection(c, type) 方法提供了操作所有集合的基本操作，我们直接看它如何实现的就好了：

public static <E> Collection<E> checkedCollection(Collection<E> c,
                                                  Class<E> type) {
    return new CheckedCollection<>(c, type);
}

@SuppressWarnings("unchecked")
static <T> T[] zeroLengthArray(Class<T> type) {
    return (T[]) Array.newInstance(type, 0);
}

/**
 * @serial include
 */
static class CheckedCollection<E> implements Collection<E>, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1578914078182001775L;

    final Collection<E> c;
    final Class<E> type;    //目标类型

    void typeCheck(Object o) {
        if (o != null && !type.isInstance(o))    //检查是否和目标类型一致
            throw new ClassCastException(badElementMsg(o));
    }

    private String badElementMsg(Object o) {
        return "Attempt to insert " + o.getClass() +
            " element into collection with element type " + type;
    }

    CheckedCollection(Collection<E> c, Class<E> type) {
        if (c==null || type == null)
            throw new NullPointerException();
        this.c = c;
        this.type = type;
    }

    public int size()                 { return c.size(); }
    public boolean isEmpty()          { return c.isEmpty(); }
    public boolean contains(Object o) { return c.contains(o); }
    public Object[] toArray()         { return c.toArray(); }
    public <T> T[] toArray(T[] a)     { return c.toArray(a); }
    public String toString()          { return c.toString(); }
    public boolean remove(Object o)   { return c.remove(o); }
    public void clear()               {        c.clear(); }

    public boolean containsAll(Collection<?> coll) {
        return c.containsAll(coll);
    }
    public boolean removeAll(Collection<?> coll) {
        return c.removeAll(coll);
    }
    public boolean retainAll(Collection<?> coll) {
        return c.retainAll(coll);
    }

    public Iterator<E> iterator() {
        // JDK-6363904 - unwrapped iterator could be typecast to
        // ListIterator with unsafe set()
        final Iterator<E> it = c.iterator();
        return new Iterator<E>() {
            public boolean hasNext() { return it.hasNext(); }
            public E next()          { return it.next(); }
            public void remove()     {        it.remove(); }};
        // Android-note: Should we delegate to it for forEachRemaining ?
    }

    public boolean add(E e) {    //添加时调用了类型检查
        typeCheck(e);
        return c.add(e);
    }

    private E[] zeroLengthElementArray = null; // Lazily initialized

    private E[] zeroLengthElementArray() {
        return zeroLengthElementArray != null ? zeroLengthElementArray :
            (zeroLengthElementArray = zeroLengthArray(type));
    }

    public boolean addAll(Collection<? extends E> coll) {
        //这个方法可以让我们避免并发时内容改变导致的问题
        return c.addAll(checkedCopyOf(coll));
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    //检查集合中的每个元素的类型
    Collection<E> checkedCopyOf(Collection<? extends E> coll) {
        Object[] a = null;
        try {
            E[] z = zeroLengthElementArray();
            a = coll.toArray(z);
            // Defend against coll violating the toArray contract
            if (a.getClass() != z.getClass())
                a = Arrays.copyOf(a, a.length, z.getClass());
        } catch (ArrayStoreException ignore) {
            // To get better and consistent diagnostics,
            // we call typeCheck explicitly on each element.
            // We call clone() to defend against coll retaining a
            // reference to the returned array and storing a bad
            // element into it after it has been type checked.
            //
            a = coll.toArray().clone();
            for (Object o : a)
                typeCheck(o);
        }
        // A slight abuse of the type system, but safe here.
        return (Collection<E>) Arrays.asList(a);
    }

    // Override default methods in Collection
    @Override
    public void forEach(Consumer<? super E> action) {c.forEach(action);}
    @Override
    public boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
        return c.removeIf(filter);
    }
    @Override
    public Spliterator<E> spliterator() {return c.spliterator();}
    @Override
    public Stream<E> stream()           {return c.stream();}
    @Override
    public Stream<E> parallelStream()   {return c.parallelStream();}

可以看到，只是在 add(e) addAll() 时进行了类型检查而已，不符合目标类型就会抛出 ClassCastException 异常。

4.空集合

目前我还没想出什么时候需要创建一个空集合，看 Collections.emptyList() 的源码，创建的空列表除了内容为 0，还不支持添加操作，也就是永远就是个空的。

何必呢？不懂啊。

public static final <T> List<T> emptyList() {
    return (List<T>) EMPTY_LIST;
}

/**
 * @serial include
 */
private static class EmptyList<E>
    extends AbstractList<E>
    implements RandomAccess, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 8842843931221139166L;

    public Iterator<E> iterator() {
        return emptyIterator();
    }
    public ListIterator<E> listIterator() {
        return emptyListIterator();
    }

    public int size() {return 0;}
    public boolean isEmpty() {return true;}

    public boolean contains(Object obj) {return false;}
    public boolean containsAll(Collection<?> c) { return c.isEmpty(); }

    public Object[] toArray() { return new Object[0]; }

    public <T> T[] toArray(T[] a) {
        if (a.length > 0)
            a[0] = null;
        return a;
    }

    public E get(int index) {
        throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
    }

    public boolean equals(Object o) {
        return (o instanceof List) && ((List<?>)o).isEmpty();
    }

    public int hashCode() { return 1; }

    @Override
    public boolean removeIf(Predicate<? super E> filter) {
        Objects.requireNonNull(filter);
        return false;
    }

    // Override default methods in Collection
    @Override
    public void forEach(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
    }

    @Override
    public Spliterator<E> spliterator() { return Spliterators.emptySpliterator(); }

    @Override
    public void replaceAll(UnaryOperator<E> operator) {
        Objects.requireNonNull(operator);
    }
    @Override
    public void sort(Comparator<? super E> c) {
    }


    // Preserves singleton property
    private Object readResolve() {
        return EMPTY_LIST;
    }
}

5.只含一个元素的集合

这个很好理解，有时候第三方方法需要的参数是一个 Map，而我们只有一组 key-value 数据怎么办，可以使用 Collections.singletonMap(key, value) 创建一个 Map。

我们来看下它的源码：

public static <K,V> Map<K,V> singletonMap(K key, V value) {
    return new SingletonMap<>(key, value);
}

private static class SingletonMap<K,V>
      extends AbstractMap<K,V>
      implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -6979724477215052911L;

    private final K k;
    private final V v;

    //构造函数中将参数的 k-v 保存到唯一的 k 和 v 中
    SingletonMap(K key, V value) {
        k = key;
        v = value;
    }

    public int size()                          {return 1;}

    public boolean isEmpty()                   {return false;}

    public boolean containsKey(Object key)     {return eq(key, k);}

    public boolean containsValue(Object value) {return eq(value, v);}

    public V get(Object key)                   {return (eq(key, k) ? v : null);}

    private transient Set<K> keySet = null;
    private transient Set<Map.Entry<K,V>> entrySet = null;
    private transient Collection<V> values = null;

    public Set<K> keySet() {
        if (keySet==null)
            keySet = singleton(k);
        return keySet;
    }

    public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {
        if (entrySet==null)
            entrySet = Collections.<Map.Entry<K,V>>singleton(
                new SimpleImmutableEntry<>(k, v));
        return entrySet;
    }

    public Collection<V> values() {
        if (values==null)
            values = singleton(v);
        return values;
    }

    // Override default methods in Map
    @Override
    public V getOrDefault(Object key, V defaultValue) {
        return eq(key, k) ? v : defaultValue;
    }

    @Override
    public void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {
        action.accept(k, v);
    }

    @Override
    public void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public V putIfAbsent(K key, V value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public boolean remove(Object key, Object value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public V replace(K key, V value) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public V computeIfAbsent(K key,
                             Function<? super K, ? extends V> mappingFunction) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public V computeIfPresent(K key,
                              BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public V compute(K key,
                     BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    @Override
    public V merge(K key, V value,
                   BiFunction<? super V, ? super V, ? extends V> remappingFunction) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

这个比较简单，比我们自己创建一个 Map 然后把数据放进去简单些。

注意返回的 map 不支持删除、替换操作。

Collections 支持创建单例的其他集合类型：

这里写图片描述

提供的多种集合操作方法

排序

Collections 中提供了按自然排序 Comparable 进行比较的方法 sort(list):

public static <T extends Comparable<? super T>> void sort(List<T> list) {
    if (list.getClass() == ArrayList.class) {    //
        Arrays.sort(((ArrayList) list).elementData, 0, list.size());
        return;
    }

    Object[] a = list.toArray();
    Arrays.sort(a);
    ListIterator<T> i = list.listIterator();
    for (int j=0; j<a.length; j++) {
        i.next();
        i.set((T)a[j]);
    }
}

可以看到如果是 ArrayList 就直接调用 Arrays.sort(((ArrayList) list).elementData, 0, list.size())，因为 ArrayList 的底层实现就是数组嘛；否则先调用 Arrays.sort(a)，然后遍历、更新。

我们去看一下 Arrays 对数组的排序方法：

public static void sort(Object[] a, int fromIndex, int toIndex) {
    rangeCheck(a.length, fromIndex, toIndex);
    if (LegacyMergeSort.userRequested)
        legacyMergeSort(a, fromIndex, toIndex);
    else
        ComparableTimSort.sort(a, fromIndex, toIndex, null, 0, 0);
}
static final class LegacyMergeSort {
    // Android-changed: Never use circular merge sort.
    private static final boolean userRequested = false;
}

通过注释可以看到，Android 中不使用传统的归并排序。那我们看 ComparableTimSort.sort(a, fromIndex, toIndex, null, 0, 0):

static void sort(Object[] a, int lo, int hi, Object[] work, int workBase, int workLen) {
    assert a != null && lo >= 0 && lo <= hi && hi <= a.length;

    int nRemaining  = hi - lo;
    if (nRemaining < 2)
        return;  // Arrays of size 0 and 1 are always sorted

    // If array is small, do a "mini-TimSort" with no merges
    if (nRemaining < MIN_MERGE) {    // MIN_MERGE = 32
        int initRunLen = countRunAndMakeAscending(a, lo, hi);
        binarySort(a, lo, hi, lo + initRunLen);
        return;
    }

    //... 略去复杂的 TimSort 实现
}

可以看到，如果元素太少，会使用二分插入排序 binarySort。

binarySort 的思想是二分、将后续的数插入之前的已排序数组。
binarySort 对数组 a[lo:hi] 进行排序，并且a[lo:start] 是已经排好序的。
算法的思路是对a[start:hi] 中的元素，每次使用binarySearch 为它在 a[lo:start] 中找到相应位置，并插入。

如果元素太多就会使用 TimSort，这个算法是一种起源于归并排序和插入排序的混合排序算法，由 Tim Peters 于2002 年在 Python 语言中提出。

TimSort 的实现比较复杂，我们这里简单了解一下即可：

TimSort 的思想是先对待排序列进行分区，然后再对分区进行合并，看起来和归并排序很相似，但是其中有一些针对反向和大规模数据的优化处理。

Collections 还提供了一种带有定制排序参数的排序方法：

public static <T> void sort(List<T> list, Comparator<? super T> c) {
    if (list.getClass() == ArrayList.class) {
        Arrays.sort(((ArrayList) list).elementData, 0, list.size(), (Comparator) c);
        return;
    }

    Object[] a = list.toArray();
    Arrays.sort(a, (Comparator)c);
    ListIterator<T> i = list.listIterator();
    for (int j=0; j<a.length; j++) {
        i.next();
        i.set((T)a[j]);
    }
}

和不传入定制排序比较器使用的算法是一样的，区别就在于比较大小时的标准不一样。

二分查找

我们都知道二分查找需要数据是有序的，在有序的情况下它时间复杂度平均为 O(logn)。

但是在 Collections.binarySearch() 的实现中，针对查找列表的不同类型，采用了不同的查找方法：

public static <T>
int binarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {
    if (list instanceof RandomAccess || list.size()<BINARYSEARCH_THRESHOLD)    //BINARYSEARCH_THRESHOLD   = 5000;
        return Collections.indexedBinarySearch(list, key);
    else
        return Collections.iteratorBinarySearch(list, key);
}

如果这个 list 支持随机访问（比如 ArrayList），就调用 indexedBinarySearch() 方法，否则调用 iteratorBinarySearch()，我们挨个看看。

indexedBinarySearch()：

private static <T>
int indexedBinarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key) {
    int low = 0;
    int high = list.size()-1;

    while (low <= high) {
        int mid = (low + high) >>> 1;    //无符号右移 1 位，等于除二
        Comparable<? super T> midVal = list.get(mid);    //这个 get 方法时间复杂度为 O（1）
        int cmp = midVal.compareTo(key);

        if (cmp < 0)
            low = mid + 1;
        else if (cmp > 0)
            high = mid - 1;
        else
            return mid; // key found
    }
    return -(low + 1);  // key not found
}

由于支持随机访问，所以在其中的获取方法时间复杂度很低。

相反看下 iteratorBinarySearch 方法：

private static <T>
int iteratorBinarySearch(List<? extends Comparable<? super T>> list, T key)
{
    int low = 0;
    int high = list.size()-1;
    ListIterator<? extends Comparable<? super T>> i = list.listIterator();

    while (low <= high) {
        int mid = (low + high) >>> 1;
        Comparable<? super T> midVal = get(i, mid);    //关键在于这个 get)()
        int cmp = midVal.compareTo(key);

        if (cmp < 0)
            low = mid + 1;
        else if (cmp > 0)
            high = mid - 1;
        else
            return mid; // key found
    }
    return -(low + 1);  // key not found
}

private static <T> T get(ListIterator<? extends T> i, int index) {
    T obj = null;
    int pos = i.nextIndex();
    if (pos <= index) {
        do {
            obj = i.next();
        } while (pos++ < index);
    } else {
        do {
            obj = i.previous();
        } while (--pos > index);
    }
    return obj;
}

可以看到，不支持随机访问的 List（比如链表 LinkedList）在二分查找时，每次获取元素都需要去遍历迭代器，这样就大大降低了效率，时间复杂度可能会达到 O(n) 及以上。

反转列表

如果让你实现一个反转列表的方法你会怎么写？据说有的公司出过这样的面试题。

来看看 Collections.reverse(list) 是怎么实现的吧：

public static void reverse(List<?> list) {
    int size = list.size();
    if (size < REVERSE_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {
        for (int i=0, mid=size>>1, j=size-1; i<mid; i++, j--)
            swap(list, i, j);
    } else {
        // instead of using a raw type here, it's possible to capture
        // the wildcard but it will require a call to a supplementary
        // private method
        ListIterator fwd = list.listIterator();
        ListIterator rev = list.listIterator(size);
        for (int i=0, mid=list.size()>>1; i<mid; i++) {
            Object tmp = fwd.next();
            fwd.set(rev.previous());
            rev.set(tmp);
        }
    }
}
public static void swap(List<?> list, int i, int j) {
    final List l = list;
    l.set(i, l.set(j, l.get(i)));
}

可以看到，当 List 支持随机访问时，可以直接从头开始，第一个元素和最后一个元素交换位置，一直交换到中间位置。

这里的这个 swap() 交换方法写的很简练哈，这里简单解释一下：

l.get(i) 返回位置 i 上的元素
l.set(j,l.get(i)) 将 i 上的元素设置给 j，同时由于 List.set(i,E) 返回这个位置上之前的元素，所以可以返回原来在 j 上的元素
然后再设置给 i

我们需要对集合的方法很熟悉才能写出这样的代码。

话说回不支持随机访问的列表，就使用两个迭代器，一个从头开始一个从尾开始，遍历、赋值。

还是比较简单的哈。

打乱列表中的元素

这个应该很容易实现的，只要随机交换元素的位置就好了。看看是不是这么实现的呢:

public static void shuffle(List<?> list) {
    Random rnd = r;
    if (rnd == null)
        r = rnd = new Random(); // harmless race.
    shuffle(list, rnd);
}
public static void shuffle(List<?> list, Random rnd) {
    int size = list.size();
    if (size < SHUFFLE_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {
        for (int i=size; i>1; i--)    //支持随机访问，就随机赋值
            swap(list, i-1, rnd.nextInt(i));
    } else {
        Object arr[] = list.toArray();    //不支持随机访问，就转成数组

        // Shuffle array
        for (int i=size; i>1; i--)    //然后遍历数组交换
            swap(arr, i-1, rnd.nextInt(i));

        ListIterator it = list.listIterator();
        for (int i=0; i<arr.length; i++) {    //把打乱的元素写回列表
            it.next();
            it.set(arr[i]);
        }
    }
}

可以看到，在打乱列表时能否随机访问的列表使用的方式也略有不同。支持随机访问的就直接随机交换即可。

不支持随机访问的，在这种需要对全部元素做操作的情况下就比较尴尬了。上面的代码先将列表转成了数组，我们看看不支持随机访问的典型代表 LinkedList 如何实现的 toArray() 方法：

public Object[] toArray() {
    Object[] result = new Object[size];
    int i = 0;
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        result[i++] = x.item;
    return result;
}

辛酸泪啊，得遍历一次。

转成数组后先进行了随机交换，然后又把打乱的元素写回列表，折腾死了哦。

填充列表

Collections 还有个 fill() 方法，表示使用指定的元素替换列表中的所有元素，也就是“你们都滚蛋，让我复制 N 个”。

public static <T> void fill(List<? super T> list, T obj) {
    int size = list.size();

    if (size < FILL_THRESHOLD || list instanceof RandomAccess) {
        for (int i=0; i<size; i++)
            list.set(i, obj);
    } else {
        ListIterator<? super T> itr = list.listIterator();
        for (int i=0; i<size; i++) {
            itr.next();
            itr.set(obj);
        }
    }
}

实现很简单，介绍它是因为好奇什么时候会有这个需求？

求出集合中最小/大值

求最大最小值很简单，这里就不说了，就是提醒大家 Collections 有这些个方法：

public static <T extends Object & Comparable<? super T>> T min(Collection<? extends T> coll) {
    Iterator<? extends T> i = coll.iterator();
    T candidate = i.next();

    while (i.hasNext()) {
        T next = i.next();
        if (next.compareTo(candidate) < 0)
            candidate = next;
    }
    return candidate;
}
public static <T> T max(Collection<? extends T> coll, Comparator<? super T> comp) {
    if (comp==null)
        return (T)max((Collection) coll);

    Iterator<? extends T> i = coll.iterator();
    T candidate = i.next();

    while (i.hasNext()) {
        T next = i.next();
        if (comp.compare(next, candidate) > 0)
            candidate = next;
    }
    return candidate;
}

查找子列表最早出现的索引

又是一道典型的面试题，你会怎么解呢？

我们来看看 Collections 类给出的方法吧：

public static int indexOfSubList(List<?> source, List<?> target) {
    int sourceSize = source.size();
    int targetSize = target.size();
    int maxCandidate = sourceSize - targetSize;    //记录父列表和子列表个数差距

    if (sourceSize < INDEXOFSUBLIST_THRESHOLD ||
        (source instanceof RandomAccess&&target instanceof RandomAccess)) {    //支持随机访问
    nextCand:    //定义跳转入口
        for (int candidate = 0; candidate <= maxCandidate; candidate++) {    //从0开始
            for (int i=0, j=candidate; i<targetSize; i++, j++)
                if (!eq(target.get(i), source.get(j)))
                    continue nextCand;  // Element mismatch, try next cand
            return candidate;  // All elements of candidate matched target
        }

先看支持随机访问的（比如 ArrayList）。
这里的代码使用了暴力的双重循环，第一层从 0 开始，最多查找 maxCandidate（父列表和子列表个数差距）次；
第二层开始，将第一层遍历的索引范围内，父列表和子列表对应位置的元素挨个对比，一旦有一个不相等，就回到第一层循环，继续往后走一个。

直到第二层顺利循环结束，就找到了子列表的索引。

其实思想就是：用两个游标，一个表示父列表的第一个元素，另一个表示可能是子列表元素范围的索引，在遍历过程中如果发现的确和子列表所有元素都相等，那就找到了子列表。

话说回来不支持随机访问的是如何找到子列表的呢？

    } else {  // Iterator version of above algorithm
        ListIterator<?> si = source.listIterator();
    nextCand:
        for (int candidate = 0; candidate <= maxCandidate; candidate++) {
            ListIterator<?> ti = target.listIterator();
            for (int i=0; i<targetSize; i++) {
                if (!eq(ti.next(), si.next())) {
                    // Back up source iterator to next candidate
                    for (int j=0; j<i; j++)
                        si.previous();
                    continue nextCand;
                }
            }
            return candidate;
        }
    }
    return -1;  // No candidate matched the target
}

思想有些类似，不同的是在不相等时，会往前移动一位指示目标列表位置的索引。

总结

可以看到 Collections 方法提供了很多有用的工具方法，其中有一部分也涉及到一些算法，经过这篇文章你是不是更了解了呢？

Thanks

http://blog.csdn.net/bruce_6/article/details/38299199