TreeSet与TreeMap

TreeSet

TreeSet 是一个有序集合，它扩展了 AbstractSet 类并实现了 NavigableSet 接口

特点

元素唯一性：它存储唯一的元素，不允许重复值
TreeSet不允许null值。
TreeSet中的对象必须实现Comparable 接口或者提供自定义的 Comparator
TreeMap中不允许键为null，但是值可以为null
无序存储：不保留元素的插入顺序
自动排序：按升序对元素进行排序，对象根据其自然顺序以升序排序和存储。若元素本身没有自然顺序，或者需要自定义排序规则，可以使用 Comparator 来定义排序顺序
底层结构：该实现中使用平衡树，更具体的是红黑树。作为自平衡二叉搜索树，二叉树的每个节点包括一个额外的位，用于识别节点的颜色（红色或黑色）。在随后的插入和删除期间，这些颜色位有助于确保树保持或多或少的平衡
TreeSet 的底层数据结构是红黑树，这是一种自平衡的二叉查找树，能够保证插入、删除和查找操作的时间复杂度为 O(log n)
非线程安全：TreeSet 不是线程安全的
支持序列化：实现了 java.io.Serializable 接口，意味着它支持序列化

TreeSet去重机制

如果元素实现了 Comparable 接口，调用 compareTo 方法进行比较
如果提供了 Comparator，调用 compare 方法进行比较
从根节点开始，递归地比较新元素与当前节点的大小
如果比较结果为 0，说明新元素与当前节点相等，不会插入重复元素，如果比较结果不为 0，将新元素插入到合适的位置

构造函数

TreeSet()

构造一个空的树集，该树集将根据元素的自然顺序按升序排序。这就要求元素必须实现 java.lang.Comparable 接口，否则会抛出 ClassCastException 异常

import java.util.TreeSet;  
 
public class TreeSetExample { 
    public static void main(String[] args) { 
        // 创建一个使用自然排序的 TreeSet 
        TreeSet<Integer> treeSet = new TreeSet<>(); 
        treeSet.add(3);  
        treeSet.add(1);  
        treeSet.add(2);  
        // 输出结果将按自然顺序排序：[1, 2, 3] 
        System.out.println(treeSet);  
    } 
}

TreeSet(Comparator<? super E> comparator)

构造一个空的树集，该树集将根据给定的比较器进行排序。当元素没有自然顺序或者需要自定义排序规则时，可以使用这个构造函数

import java.util.Comparator;  
import java.util.TreeSet;  
 
class Person { 
    String name; 
    int age; 
 
    public Person(String name, int age) { 
        this.name  = name; 
        this.age  = age; 
    } 
 
    @Override 
    public String toString() { 
        return "Person{name='" + name + "', age=" + age + "}"; 
    } 
} 
 
public class TreeSetComparatorExample { 
    public static void main(String[] args) { 
        // 自定义比较器，按年龄排序 
        Comparator<Person> ageComparator = Comparator.comparingInt(p  -> p.age);  
        TreeSet<Person> treeSet = new TreeSet<>(ageComparator); 
        treeSet.add(new  Person("Alice", 25)); 
        treeSet.add(new  Person("Bob", 20)); 
        treeSet.add(new  Person("Charlie", 30)); 
        // 输出结果将按年龄排序 
        System.out.println(treeSet);  
    } 
}

TreeSet(Collection<? extends E> c)

构造一个包含指定集合中所有元素的新树集，该树集将根据元素的自然顺序进行排序。同样，集合中的元素必须实现 Comparable 接口
从语法层面来看，只要是实现了 Collection 接口的类的实例都可以作为参数传递给这个构造函数

当使用 TreeSet(Collection<? extends E> c) 构造方法时，会将传入集合中的所有元素插入到 TreeSet 的红黑树结构中，TreeSet(Collection<? extends E> c) 会创建一个新的红黑树结构来存储传入集合中的数据

import java.util.ArrayList;  
import java.util.Collection;  
import java.util.TreeSet;  
 
public class TreeSetCollectionExample { 
    public static void main(String[] args) { 
        // 创建一个 ArrayList 并添加元素 
        Collection<Integer> collection = new ArrayList<>(); 
        collection.add(5);  
        collection.add(3);  
        collection.add(7);  
        // 使用包含集合元素的构造函数创建 TreeSet 
        TreeSet<Integer> treeSet = new TreeSet<>(collection); 
        // 输出结果将按自然顺序排序：[3, 5, 7] 
        System.out.println(treeSet);  
    } 
}

TreeSet(SortedSet sortedSet)
- 创建一个包含指定 SortedSet 中所有元素的 TreeSet，并使用 SortedSet 的排序规则
- sortedSet：包含要添加到 TreeSet 中的元素的有序集合
- SortedSet的子类有TreeSet、ConcurrentSkipListSet等

TreeMap

TreeMap 是一个有序的 key - value 集合，非同步，基于红黑树（Red - Black Tree）实现，每个 key - value 作为红黑树的一个节点。它继承于 AbstractMap，实现了 NavigableMap、Cloneable 和 java.io.Serializable 接口，意味着它支持一系列的导航方法、能被克隆以及支持序列化

特点

有序性：TreeMap 中的元素是按照键的自然顺序（即实现 Comparable 接口）或通过提供的 Comparator 进行排序的。对于字符串类型的键，自然顺序是按照字典序排序；对于数字类型的键，自然顺序是按照数字大小排序。如果使用自定义的 Comparator，则会按照自定义规则进行排序
红黑树实现：TreeMap 底层基于红黑树实现，红黑树是一种自平衡二叉搜索树。在红黑树中，插入和删除操作的时间复杂度为 O(logn)，而查找操作也能在 O(logn) 时间内完成
自动排序：TreeMap 自动根据键的顺序对元素进行排序。插入新元素后，会自动维护元素的顺序
元素唯一：TreeMap 中的键是唯一的，因此相同的键只能存储一个元素。如果在 TreeMap 中插入一个已经存在的键，则新的值会覆盖原有的值
TreeMap 不允许存储 null 键，否则会抛出 NullPointerException。但允许值为 null
与 HashMap 类似，TreeMap 也是线程不安全的，如果在多线程环境下使用，需要进行同步处理，例如使用 Collections.synchronizedSortedMap 方法获得一个同步的 TreeMap，或者使用 ConcurrentSkipListMap
TreeMap 的基本操作（如 containsKey、get、put 和 remove）的时间复杂度是 O(logn)，因此它具有较好的性能表现，适合处理大量的键值对
由于 TreeMap 内部采用红黑树数据结构，需要维护指向父节点、子节点的引用，因此它的内存占用比 HashMap 稍微大一些

常用方法

put(K key, V value)：用于将一个键值对插入 TreeMap，并维护红黑树的平衡。先从根节点开始，根据键的大小找到插入的位置，比较逻辑通过 Comparator 或键的自然顺序来实现；然后在找到正确的位置后，将新节点插入到红黑树中，并维护其父子关系
get(Object key)：从根节点开始，通过比较键的大小查找对应的节点。如果找到节点，返回其值；如果未找到，返回 null
firstKey()：返回 TreeMap 中最小的键
lastKey()：返回 TreeMap 中最大的键
remove(Object key)：根据键删除对应的键值对，并维护红黑树的平衡

注意点

TreeMap<Object, Object> map = new TreeMap<>();
map.put(1, "123"); // 添加一个 Integer 类型的键
map.put("2", 123); // 添加一个 String 类型的键
//报错java.lang.ClassCastException

需要注意的是由于TreeSet和TreeMap需要对值进行比较，当插入一个 Integer 类型的键（1）和一个 String 类型的键（"2"）时，TreeMap 会尝试比较这两个键。由于 Integer 和 String 之间没有自然的比较规则，因此会抛出 ClassCastException
尽量避免在 TreeMap 中使用混合类型的键，因为这会导致代码的可读性和可维护性变差。通常建议使用统一的键类型