一文搞懂Go语言中的切片排序

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切片是Go语言中引入的用于在大多数场合替代数组的语法元素。切片是长度可变的同类型元素序列，它不支持存储不同类型的元素，当然如果你非用 sl := []interface{}{“hello”, 11, 3.14} 来抬杠^_^，那就另当别论。

有序列的地方就有排序的需求。在各种排序算法都已经成熟的今天，我们完全可以针对特定元素类型的切片 手写排序函数/方法 ，但多数情况下不推荐这么做，因为Go标准库内置了 sort 包可以很好地帮助我们实现 原生类型元素切片 以及 自定义类型元素切片 的排序任务。

1. sort包的排序原理

截至目前( Go 1.15版本 )，Go还不支持泛型。因此，为了支持 任意元素类型 的切片的排序，标准库sort包定义了一个Interface接口和一个接受该接口类型参数的Sort函数：

// $GOROOT/src/sort/sort.go
type Interface interface {
    Len() int
    Less(i, j int) bool
    Swap(i, j int)
}

func Sort(data Interface) {
        n := data.Len()
        quickSort(data, 0, n, maxDepth(n))
}

为了应用这个排序函数Sort，我们需要让被排序的切片类型实现 sort.Interface 接口，以整型切片为例：

// slice-sort-in-go/sort_int_slice.go
type IntSlice []int

func (p IntSlice) Len() int  { return len(p) }
func (p IntSlice) Less(i, j int) bool { return p[i] < p[j] }
func (p IntSlice) Swap(i, j int) { p[i], p[j] = p[j], p[i] }

func main() {
    sl := IntSlice([]int{89, 14, 8, 9, 17, 56, 95, 3})
    fmt.Println(sl) // [89 14 8 9 17 56 95 3]
    sort.Sort(sl)
    fmt.Println(sl) // [3 8 9 14 17 56 89 95]
}

从sort.Sort函数的实现来看，它使用的是快速排序(quickSort)。我们知道快速排序是在所有数量级为(o(nlogn))的排序算法中其平均性能最好的算法，但在某些情况下其性能却并非最佳，Go sort包中的quickSort函数也没有严格拘泥于仅使用快排算法，而是以快速排序为主，并根据目标状况在特殊条件下选择了其他不同的排序算法，包括堆排序(heapSort)、插入排序(insertionSort)等。

sort.Sort函数不保证排序是稳定的，要想使用稳定排序，需要使用 sort.Stable 函数。

注：稳定排序：假定在待排序的序列中存在多个具有相同值的元素，若经过排序，这些元素的相对次序保持不变，即在原序列中，若r[i]=r[j]且r[i]在r[j]之前，在排序后的序列中，若r[i]仍在r[j]之前，则称这种排序算法是稳定的(stable)；否则称为不稳定的。

2. sort包的“语法糖”排序函数

我们看到，直接使用sort.Sort函数对切片进行排序是比较繁琐的。如果仅仅排序一个原生的整型切片都这么繁琐(要实现三个方法），那么sort包是会被“诟病”惨了的。还好，对于以常见原生类型为元素的切片，sort包提供了类“语法糖”的简化函数，比如：sort.Ints、sort.Float64s和sort.Strings等。上述整型切片的排序代码可以直接改造成下面这个样子：

// slice-sort-in-go/sort_int_slice_with_sugar.go

func main() {
    sl := []int{89, 14, 8, 9, 17, 56, 95, 3}
    fmt.Println(sl) // [89 14 8 9 17 56 95 3]
    sort.Ints(sl)
    fmt.Println(sl) // [3 8 9 14 17 56 89 95]
}

原生类型有“语法糖”可用了，那么对于自定义类型作为元素的切片，是不是每次都得实现Interface接口的三个方法呢？Go团队也想到了这个问题! 所以在 Go 1.8版本中加入了 sort.Slice 函数，我们只需传入一个比较函数实现即可：

// slice-sort-in-go/custom-type-slice-sort-in-go.go

type Lang struct {
    Name string
    Rank int
}

func main() {
    langs := []Lang{
        {"rust", 2},
        {"go", 1},
        {"swift", 3},
    }
    sort.Slice(langs, func(i, j int) bool { return langs[i].Rank < langs[j].Rank })
    fmt.Printf("%v\n", langs) // [{go 1} {rust 2} {swift 3}]
}

同理，如果要进行稳定排序，则用sort.SliceStable替换上面的sort.Slice。

3. 引入泛型后的切片排序

Russ Cox已经确认了Go泛型(type parameter)将在Go 1.18版本落地，我们来展望一下在2022年2月Go泛型落地后，切片排序该怎么做。好在现在有https://go2goplay.golang.org/可以用于试验go泛型技术草案中的语法。

在泛型加入后，我们可以按如下方式对原生类型切片进行排序：

// https://go2goplay.golang.org/p/lKG3saE-1ek

package main

import (
    "fmt"
    "sort"
)

type Ordered interface {
    type int, int8, int16, int32, int64, uint, uint8, uint16, uint32, uint64, uintptr, float32, float64, string
}

type orderedSlice[T Ordered] []T

func (s orderedSlice[T]) Len() int           { return len(s) }
func (s orderedSlice[T]) Less(i, j int) bool { return s[i] < s[j] }
func (s orderedSlice[T]) Swap(i, j int)      { s[i], s[j] = s[j], s[i] }

func OrderedSlice[T Ordered](s []T) {
    sort.Sort(orderedSlice[T](s))
}

func main() {
    s1 := []int32{3, 5, 2}
    fmt.Println(s1) // [3 5 2]
    OrderedSlice(s1)
    fmt.Println(s1) // [2 3 5]

    s2 := []string{"jim", "amy", "tom"}
    fmt.Println(s2) // [jim amy tom]
    OrderedSlice(s2)
    fmt.Println(s2) // [amy jim tom]
}

上面的Ordered接口类型、orderedSlice[T]切片类型以及OrderdSlice函数都可能会内置到sort包中，我们直接使用sort.OrderSlice函数即可对原生类型元素切片进行排序。

而对于自定义类型，如果我们将其加入到Ordered接口的类型列表(type list)中，像下面这样：

type Lang struct {
    Name string
    Rank int
}

type Ordered interface {
    type int, int8, int16, int32, int64, uint, uint8, uint16, uint32, uint64, uintptr, float32, float64, string
}

那么，当我们像下面代码这样对元素类型为Lang的切片langs进行排序时，我们会遇到编译错误：

func main() {
    langs := []Lang{
        {"rust", 2},
        {"go", 1},
        {"swift", 3},
    }

    OrderedSlice(langs)
    fmt.Println(langs)
}

$prog.go2:20:55: cannot compare s[i] < s[j] (operator < not defined for T)

由于Lang类型不支持<和>比较，因此我们无法将Lang类型放入Ordered的类型列表中。而根本原因在于Go语言不支持运算符重载，这样我们永远无法让自定义类型支持<和>比较，我们只能另辟蹊径，采用sort.Slice的思路：额外提供一个比较函数！

// https://go2goplay.golang.org/p/7K94ZJuaoDc

package main

import (
    "fmt"
    "sort"
)

type Lang struct {
    Name string
    Rank int
}

type sliceFn[T any] struct {
    s   []T
    cmp func(T, T) bool
}

func (s sliceFn[T]) Len() int           { return len(s.s) }
func (s sliceFn[T]) Less(i, j int) bool { return s.cmp(s.s[i], s.s[j]) }
func (s sliceFn[T]) Swap(i, j int)      { s.s[i], s.s[j] = s.s[j], s.s[i] }

func SliceFn[T any](s []T, cmp func(T, T) bool) {
    sort.Sort(sliceFn[T]{s, cmp})
}

func main() {
    langs := []Lang{
        {"rust", 2},
        {"go", 1},
        {"swift", 3},
    }

    SliceFn(langs, func(p1, p2 Lang) bool { return p1.Rank < p2.Rank })
    fmt.Println(langs) // [{go 1} {rust 2} {swift 3}]
}

有人说，SliceFn和非泛型版本的sort.Slice在使用时复杂度似乎也没啥差别啊。 形式上的确如此，但内涵上还是有差别的 。

使用泛型方案，由于少了到interface{}的装箱和拆箱操作，理论上SliceFn的性能要好于sort.Slice函数。根据 Go语言之父Robert Griesemer对Go泛型的讲解：

SliceFn(langs,...)

等价于下面过程：

sliceFnForLang := SliceFn(Lang) // 编译阶段，sliceFnForLang的函数原型为func(s []Lang, func(Lang, Lang) bool)；
sliceFnForLang(langs) // 运行阶段，和普通函数调用无异，但没有了到interface{}类型装箱和拆箱的损耗。

注：本文涉及的源码可以在这里 https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/slice-sort-in-go 下载到。