JDK1.8 TreeMap源码学习

TreeMap

底层基于红黑树的集合,其特点就是可排序

红黑树

概念:一种自平衡的二叉查找树。

由来:二叉查找树:特点(左子树<父节点<右节点),其crud效率最高可达O(logn),但是最低可达O(logn),即退化成链表。

因此出现了平衡二叉树(avl),任意节点的左右孩子节点高度差<=1,查找时间复杂度为O(logn),但是删除的维护成本过高,可能需要旋转多次。

在平衡了二叉查找树和avl性能后,出现了红黑树。其有5条性质。其中性质4,5最关键。保证了任意节点到叶子节点的最长路径不大于最短路径的2倍。

因此其crud时间复杂度都近似O(logn)。通过旋转和变色维护其5条性质。

应用:TreeMap,jdk1.8 HashMap(链表长度>8对链表进行树化)

插入节点和删除节点都需要通过旋转或者变色来维护红黑树的5条性质,其中删除节点比较复杂

一篇写的很好的关于红黑树的文章:

红黑树详细分析,看了都说好

源码分析

 

简单使用

 

TreeMap<Integer, String> map = new TreeMap<>();
        map.put(1, "AA");
        map.put(22, "BB");
        map.put(13, "cc");
        map.put(2, "DD");
        System.out.println(map);

  输出结果

{1=AA, 2=DD, 13=cc, 22=BB}

  

 为什么TreeMap中的数据时有序排列,因为其内部有一个重要的属性,如果创建TreeMap没有指定comparator,则使用key元素默认的comparator属性

private final Comparator<? super K> comparator;

TreeMap其他属性

    private transient Entry<K,V> root;

    // 节点个数,即长度
    private transient int size = 0;

    /**
     * 修改次数,fail-fast思想。多线程情况下,某线程遍历TreeMap时,另一线程remove或者put时,报错
     */
    private transient int modCount = 0;

  

TreeMap构造函数

这个没啥好说的

    public TreeMap() {
        comparator = null;
    }

    public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {
        this.comparator = comparator;
    }

    public TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
        comparator = null;
        putAll(m);
    }

    public TreeMap(SortedMap<K, ? extends V> m) {
        comparator = m.comparator();
        try {
            buildFromSorted(m.size(), m.entrySet().iterator(), null, null);
        } catch (java.io.IOException cannotHappen) {
        } catch (ClassNotFoundException cannotHappen) {
        }
    }

  

查找算法 就是二分法查找思想

   // 根据key获取Entry 
  final Entry<K,V> getEntry(Object key) { // Offload comparator-based version for sake of performance
  // 如果comparator不为空,使用comparator;为空使用key的默认comparator if (comparator != null) return getEntryUsingComparator(key); if (key == null) throw new NullPointerException(); @SuppressWarnings("unchecked") Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key; Entry<K,V> p = root; while (p != null) { int cmp = k.compareTo(p.key); if (cmp < 0) p = p.left; else if (cmp > 0) p = p.right; else return p; } return null; } /** * Version of getEntry using comparator. Split off from getEntry * for performance. (This is not worth doing for most methods, * that are less dependent on comparator performance, but is * worthwhile here.) */ final Entry<K,V> getEntryUsingComparator(Object key) { @SuppressWarnings("unchecked") K k = (K) key; Comparator<? super K> cpr = comparator; if (cpr != null) { Entry<K,V> p = root; while (p != null) { int cmp = cpr.compare(k, p.key); if (cmp < 0) p = p.left; else if (cmp > 0) p = p.right; else return p; } } return null; }

 

插入元素 

    public V put(K key, V value) {
        Entry<K,V> t = root;
     // 1 root元素为空,则直接将插入节点置为root节点 if (t == null) { compare(key, key); // type (and possibly null) check root = new Entry<>(key, value, null); size = 1; modCount++; return null; } int cmp; Entry<K,V> parent; // split comparator and comparable paths Comparator<? super K> cpr = comparator;
    
    // 2 while循环找到节点插入位置 parent节点为插入节点的父节点 if (cpr != null) { do { parent = t; cmp = cpr.compare(key, t.key); if (cmp < 0) t = t.left; else if (cmp > 0) t = t.right; else return t.setValue(value); } while (t != null); } else { if (key == null) throw new NullPointerException(); @SuppressWarnings("unchecked") Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key; do { parent = t; cmp = k.compareTo(t.key); if (cmp < 0) t = t.left; else if (cmp > 0) t = t.right; else return t.setValue(value); } while (t != null); } Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);
     //3 插入新建的节点 if (cmp < 0) parent.left = e; else parent.right = e;
     //4 插入节点后,对集合进行调整,使之满足红黑树的5条性质 fixAfterInsertion(e); size++; modCount++; return null; }

  

红黑树插入节点共5种情况

  1. 插入节点是红黑树的根节点
  2. 插入节点的父节点是黑色
  3. 插入节点N的父节点为红色,其叔叔节点也为红色。通过变色即可。但是可能会导致祖父节点形成连续的红色,需要递归调整
  4. 插入节点N的父节点为红色,其叔叔节点为黑色,节点N为父节点右孩子。需要进行旋转+变色
  5. 插入节点N的父节点为红色,其叔叔节点为黑色,节点N为父节点左孩子。需要进行旋转+变色

情况4.5不是插入节点导致的,是经过调整(旋转,变色)后出现的情况

    private void fixAfterInsertion(Entry<K,V> x) {
    // 新节点默认颜色为红色 x.color = RED;     // 当前节点x为null或者是根节点或者其父亲节点颜色为黑色(如果经过一轮调整后,x的父节点仍为红色,则需继续调整),则退出循环 while (x != null && x != root && x.parent.color == RED) {
      // x节点的父节点为祖父节点的左孩子 if (parentOf(x) == leftOf(parentOf(parentOf(x)))) {
         //y为叔叔节点 Entry<K,V> y = rightOf(parentOf(parentOf(x)));
          // 情况3 if (colorOf(y) == RED) { setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(y, BLACK); setColor(parentOf(parentOf(x)), RED); x = parentOf(parentOf(x)); } else {
           // 情况4 if (x == rightOf(parentOf(x))) { x = parentOf(x); rotateLeft(x); }
            // 情况5 setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(parentOf(parentOf(x)), RED); rotateRight(parentOf(parentOf(x))); } } else {
         // x节点的父节点为祖父节点的右孩子,同理 Entry<K,V> y = leftOf(parentOf(parentOf(x))); if (colorOf(y) == RED) { setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(y, BLACK); setColor(parentOf(parentOf(x)), RED); x = parentOf(parentOf(x)); } else { if (x == leftOf(parentOf(x))) { x = parentOf(x); rotateRight(x); } setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(parentOf(parentOf(x)), RED); rotateLeft(parentOf(parentOf(x))); } } } root.color = BLACK; }

  

删除节点

 

红黑树删除节点和普通的二叉查找树删除节点类似。共分为以下三种情况

1 该节点为叶子节点=>直接删除

2 该节点有一个子节点=>删除该节点,使用子节点替换原来的节点,原来节点的颜色也继承过来的

3 该节点有两个子节点=>删除该节点,使用后继节点来替换原来的节点,原来节点颜色也继承过来,后继节点只有一个孩子节点

 

 删除节点后,需要对树进行再平衡。当前节点为红色,直接删除;为黑色,需要调整

    /**
     * Delete node p, and then rebalance the tree.
     */
    private void deleteEntry(Entry<K,V> p) {
        modCount++;
        size--;

        // If strictly internal, copy successor's element to p and then make p
        // point to successor. 
// 情况3 if (p.left != null && p.right != null) { Entry<K,V> s = successor(p); p.key = s.key; p.value = s.value; p = s; } // p has 2 children // Start fixup at replacement node, if it exists.
// 情况2 Entry<K,V> replacement = (p.left != null ? p.left : p.right);       //将删除节点的父节点和删除节点的子节点链接 if (replacement != null) { // Link replacement to parent replacement.parent = p.parent; if (p.parent == null) root = replacement; else if (p == p.parent.left) p.parent.left = replacement; else p.parent.right = replacement; // Null out links so they are OK to use by fixAfterDeletion. p.left = p.right = p.parent = null; // Fix replacement if (p.color == BLACK) fixAfterDeletion(replacement); } else if (p.parent == null) { // return if we are the only node. root = null; } else { // No children. Use self as phantom replacement and unlink.

// 情况1 if (p.color == BLACK) fixAfterDeletion(p); if (p.parent != null) { if (p == p.parent.left) p.parent.left = null; else if (p == p.parent.right) p.parent.right = null; p.parent = null; } } }

  

寻找元素后继节点

后继节点:大于该节点的最小节点

Java容器TreeMap的successor方法

后继节点比然没有左孩子(为什么,自己推导去吧)

一个节点的后继节点存在两种情况

  1. 该节点有右孩子,后继节点为右孩子的左孩子,
  2. 该节点没有右孩子,则为该节点的父节点
    static <K,V> TreeMap.Entry<K,V> successor(Entry<K,V> t) {
        if (t == null)
            return null;
// 情况1 else if (t.right != null) { Entry<K,V> p = t.right; while (p.left != null) p = p.left; return p; } else {
// 情况2 Entry<K,V> p = t.parent; Entry<K,V> ch = t; while (p != null && ch == p.right) { ch = p; p = p.parent; } return p; } }

  

删除节点后,对树进行调整,使之满足红黑树的5条性质

仅对下图情况进行分析

 

 

 共有6种情况

 1、N是新的根

 2、S节点为红色,其他节点为黑色

 

3、N的父节点,兄弟节点及其子节点都为黑色.此时经过P节点黑高-1,需要对P节点进行再平衡

 

 

 

 

4.、N的父节点为红色,S和S的孩子为红色

5、 S为黑色,S的左节点为红色

 

6、S为黑色,S的右节点为红色

 

 

 

 

    private void fixAfterDeletion(Entry<K,V> x) {
// x不为根节点并且x节点为黑色(x为红色,直接删除,不需要再平衡)
        while (x != root && colorOf(x) == BLACK) {
// x为左子树
            if (x == leftOf(parentOf(x))) {
// sib叔叔节点,对应上面的S节点 Entry<K,V> sib = rightOf(parentOf(x)); //情况2 if (colorOf(sib) == RED) { setColor(sib, BLACK); setColor(parentOf(x), RED); rotateLeft(parentOf(x)); sib = rightOf(parentOf(x)); } //情况3,情况4 if (colorOf(leftOf(sib)) == BLACK && colorOf(rightOf(sib)) == BLACK) { setColor(sib, RED); x = parentOf(x); } else { //情况5 if (colorOf(rightOf(sib)) == BLACK) { setColor(leftOf(sib), BLACK); setColor(sib, RED); rotateRight(sib); sib = rightOf(parentOf(x)); } //情况6 setColor(sib, colorOf(parentOf(x))); setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(rightOf(sib), BLACK); rotateLeft(parentOf(x)); x = root; } } else { // symmetric
// x为右子树 Entry<K,V> sib = leftOf(parentOf(x)); if (colorOf(sib) == RED) { setColor(sib, BLACK); setColor(parentOf(x), RED); rotateRight(parentOf(x)); sib = leftOf(parentOf(x)); } if (colorOf(rightOf(sib)) == BLACK && colorOf(leftOf(sib)) == BLACK) { setColor(sib, RED); x = parentOf(x); } else { if (colorOf(leftOf(sib)) == BLACK) { setColor(rightOf(sib), BLACK); setColor(sib, RED); rotateLeft(sib); sib = leftOf(parentOf(x)); } setColor(sib, colorOf(parentOf(x))); setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(leftOf(sib), BLACK); rotateRight(parentOf(x)); x = root; } } } setColor(x, BLACK); }

  

posted on 2020-07-09 21:00  lkjhgfdsa123  阅读(171)  评论(0编辑  收藏  举报