Java提高——常见Java集合实现细节（2）
TreeMap和TreeSet
HashSet的底层依赖于HashMap的实现。TreeSet底层采用一个NavigableMap来保存TreeSet集合的元素。实际上由于NavigableMap只是一个接口，因此底层依然使用TreeMap来包含Set集合中的所有元素。
TreeSet源码：
public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E> implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable { /** * 使用NavigableMap的key来保存Set集合的元素 */ private transient NavigableMap<E,Object> m; // 使用一个PRENSENT作为Map集合的所有value private static final Object PRESENT = new Object(); /** * 包含访问权限的构造器，以指定NavigableMap对象创建Set集合 */ TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) { this.m = m; } /** * 以自然排序的方式创建一个新的TreeMap，根据该TreeSet创建一个TreeSet * 根据该TreeMap的key来保存Set集合的元素 */ public TreeSet() {//① this(new TreeMap<E,Object>()); } /** * 以定制排序的方式创建一个新的TreeMap，根据该TreeSet创建一个TreeSet * 使用该TreeMap的key保存Set集合的元素 */ public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {//② this(new TreeMap<>(comparator)); } public TreeSet(Collection<? extends E> c) { //调用①号构造器创建一个TreeSet，底层以TreeMap保存集合元素 this(); //向TreeSet中添加Collection集合c里的所有元素 addAll(c); } public TreeSet(SortedSet<E> s) { //以②号构造器创建一个TreeSet，底层以TreeMap保存集合元素 this(s.comparator()); //向TreeSet中添加SortedSet集合s中的所有s元素 addAll(s); } /** * 下面的实现都是直接调用TreeMap的方法来提供实现 */ public Iterator<E> iterator() { return m.navigableKeySet().iterator(); } public Iterator<E> descendingIterator() { return m.descendingKeySet().iterator(); } public NavigableSet<E> descendingSet() { return new TreeSet<>(m.descendingMap()); } public int size() { return m.size(); } public boolean isEmpty() { return m.isEmpty(); } public boolean contains(Object o) { return m.containsKey(o); } public boolean add(E e) { return m.put(e, PRESENT)==null; } public boolean remove(Object o) { return m.remove(o)==PRESENT; } public void clear() { m.clear(); } public boolean addAll(Collection<? extends E> c) { // Use linear-time version if applicable if (m.size()==0 && c.size() > 0 && c instanceof SortedSet && m instanceof TreeMap) { //把c强制转换为SortedSet集合 SortedSet<? extends E> set = (SortedSet<? extends E>) c; //把m集合强制转化为TreeMap集合 TreeMap<E,Object> map = (TreeMap<E, Object>) m; Comparator<? super E> cc = (Comparator<? super E>) set.comparator(); Comparator<? super E> mc = map.comparator(); //如果cc和mc两个Comparator相等 if (cc==mc || (cc != null && cc.equals(mc))) { map.addAllForTreeSet(set, PRESENT); return true; } } //直接调用父类的addAll方法来实现 return super.addAll(c); }
从源码来看，TreeSet的大部分方法都是直接调用TreeMap的方法来实现的。
对于TreeMap而言，它采用一种被称为“红黑树”的排序二叉树来保存Map中的每个Entry——每个Entry被当作“红黑树”的一个结点。
通过这种方式，TreeMap中的所有key总是由小到大的排列。
TreeMap的put方法源码：该方法实现了将Entry放入TreeMap的Entry链，并保证该Entry链处于有序状态。
public V put(K key, V value) { //先以t保存链表的root结点 Entry<K,V> t = root; //如果t==null，则表明是一个空链表，即该TreeMap里没有任何Entry if (t == null) { compare(key, key); // type (and possibly null) check //将新的key-value创建一个Entry，并将该Entry作为root root = new Entry<>(key, value, null); //设置map集合的size为1，代表包含一个Entry size = 1; //记录修改次数 modCount++; return null; } int cmp; Entry<K,V> parent; // split comparator and comparable paths Comparator<? super K> cpr = comparator; //如果cpr不为null，即表明采用定制排序 if (cpr != null) { do { //使用parent上次循环后的t所引用的Entry parent = t; //拿新插入的key和t的key进行比较 cmp = cpr.compare(key, t.key); //如果新插入的key小于t的key，t等于t的左边结点 if (cmp < 0) t = t.left; //如果新插入的key大于t的key，t等于t的右边结点 else if (cmp > 0) t = t.right; else //如果两个key相等，新value覆盖原来的value，并返回原来的value return t.setValue(value); } while (t != null); } else { if (key == null) throw new NullPointerException(); Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key; do { //使用parent上次循环后的t所引用的Entry parent = t; //拿新插入的key和t的key进行比较 cmp = k.compareTo(t.key); //如果新插入的key小于t的key，t等于t的左边结点 if (cmp < 0) t = t.left; //如果新插入的key大于t的key，t等于t的右边节点 else if (cmp > 0) t = t.right; else //如果两个key相等，新的value覆盖原有的value，并返回原有的value return t.setValue(value); } while (t != null); } //将新插入的节点作为parent的子节点 Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent); //如果新插入的key小于parent的key，则e作为parent的左子节点 if (cmp < 0) parent.left = e; //如果新插入的key大于parent的key，则e作为parent的右子节点 else parent.right = e; //修复红黑树 fixAfterInsertion(e); size++; modCount++; return null; }
“排序二叉树”：每当程序希望添加新的节点时，总时从树的更节点开始比较，即将根节点当成当前节点。如果新增节点大于当前节点且当前节点的右子节点存在，则以右子节点作为当前节点;如果新增节点小于当前节点且当前节点的左子节点存在，则以左子节点作为当前节点；如果新增节点等于当前节点，则新增节点覆盖当前节点，并结束循环——直到找到某个节点的左、右子节点不存在，将新节点添加为该节点的子节点。
TreeMap根据key取出value时：
public V get(Object key) { //根据key取出对应的Entry Entry<K,V> p = getEntry(key); //返回该Entry所包含的value return (p==null ? null : p.value); }
final Entry<K,V> getEntry(Object key) { //如果comparator不为null，表明程序采用定制排序 if (comparator != null) //调用getEntryUsingComparator方法取出对应的key return getEntryUsingComparator(key); //如果key形参的值为null，抛出NullPointerException异常 if (key == null) throw new NullPointerException(); //将key强制转为Comparable实例 Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key; Entry<K,V> p = root;//从树的根节点开始 while (p != null) { //拿key同当前节点的key进行比较 int cmp = k.compareTo(p.key); if (cmp < 0)//如果key小于当前节点的key，向“左子树”搜索 p = p.left; else if (cmp > 0)//如果key大于当前节点的key，向“右子树”搜索 p = p.right; //如果即不大于也不小于，就找到了目标Entry else return p; } return null; }
TreeMap中comparator != null，即表明该TreeMap采用了定制排序。在采用定制排序的方式下，TreeMap采用了getEntryUsingComparator方法来根据key获取Entry，源代码如下：
final Entry<K,V> getEntryUsingComparator(Object key) { K k = (K) key; //获取TreeMap的comparator Comparator<? super K> cpr = comparator; if (cpr != null) { Entry<K,V> p = root;//从根节点开始 while (p != null) { //拿key与当前节点的key进行比较 int cmp = cpr.compare(k, p.key); if (cmp < 0)//如果key小于当前节点的key，向“左子树”搜索 p = p.left; else if (cmp > 0)//如果key大于当前节点的key，向“右子树”搜索 p = p.right; else//如果不大不小就是找到了目标Entry return p; } } return null; }
getEntry和getEntryUsingComparator的实现思路是完全类似的，只是前者对自然排序的TreeMap获取有效，后者对定制排序的TreeMap有效。
TreeMap本质上就是一颗“红黑树“，而TreeMap的每个Entry就是该红黑树的一个节点。
