【Java原理探索】「TreeMap」原理和基础源码的介绍
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2021-07-03 19:57
基本概念：
TreeMap是基于红黑树（Red-Black tree）的NavigableMap实现。
该集合最重要的特点就是可排序，该映射根据其键的自然顺序进行排序，或者根据创建映射时提供的Comparator进行排序，具体取决于使用的构造方法。
TreeMap可以对添加进来的元素进行排序，可以按照默认的排序方式，也可以自己指定排序方式。
TreeMap存储并排序我们自定义的类，那么必须自己定义比较机制：一种方式是User类去实现java.lang.Comparable接口，并实现其compareTo()方法。
写一个类（如MyComparator）去实现java.util.Comparator接口，并实现compare()方法，然后将MyComparator类实例对象作为TreeMap的构造方法参数进行传参（当然也可以使用匿名内部类），这些比较方法是怎么被调用的将在源码中讲解。
源码分析
类名及类成员变量
public class TreeMap<K,V>
extends AbstractMap<K,V>
implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable{
// 比较器对象
private final Comparator<? super K> comparator;
// 根节点
private transient Entry<K,V> root;
// 集合大小
private transient int size = 0;
// 树结构被修改的次数
private transient int modCount = 0;
// 静态内部类用来表示节点类型
static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
K key; // 键
V value; // 值
Entry<K,V> left; // 指向左子树的引用（指针）
Entry<K,V> right; // 指向右子树的引用（指针）
Entry<K,V> parent; // 指向父节点的引用（指针）
boolean color = BLACK; //
}
}
复制代码类构造方法
public TreeMap() {
// 1,无参构造方法
comparator = null; //默认比较机制
}
public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {
// 2，自定义比较器的构造方法
this.comparator = comparator;
}
public TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
// 3，构造已知Map对象为TreeMap
comparator = null; // 默认比较机制
putAll(m);
}
public TreeMap(SortedMap<K, ? extends V> m) {
// 4，构造已知的SortedMap对象为TreeMap
comparator = m.comparator();
// 使用已知对象的构造器
try {
buildFromSorted(m.size(),
m.entrySet().iterator(), null, null);
} catch (java.io.IOException cannotHappen) {
} catch (ClassNotFoundException cannotHappen) {
}
}
复制代码put()方法详解
public V put(K key, V value) {
Entry<K,V> t = root; // 获取根节点
// 如果根节点为空，则该元素置为根节点
if (t == null) {
compare(key, key);
// type (and possibly null) check
root = new Entry<>(key, value, null);
size = 1; // 集合大小为1
modCount++; // 结构修改次数自增
return null;
}
int cmp;
Entry<K,V> parent;
Comparator<? super K> cpr = comparator;
// 比较器对象
// 如果比较器对象不为空，也就是自定义了比较器
if (cpr != null) {
do {
// 循环比较并确定元素应插入的位置(也就是找到该元素的父节点)
parent = t; // t就是root
// 调用比较器对象的compare()方法，该方法返回一个整数
cmp = cpr.compare(key, t.key);
if (cmp < 0)
// 待插入元素的key"小于"当前位置元素的key，则查询左子树
t = t.left;
else if (cmp > 0)
// 待插入元素的key"大于"当前位置元素的key，则查询右子树
t = t.right;
else
// "相等"则替换其value。
return t.setValue(value);
} while (t != null);
}
// 如果比较器对象为空，使用默认的比较机制
else {
if (key == null)
throw new NullPointerException();
@SuppressWarnings("unchecked")
Comparable<? super K> k =
(Comparable<? super K>) key;
// 取出比较器对象
do {
// 同样是循环比较并确定元素应插入的位置(也就是
找到该元素的父节点)
parent = t;
cmp = k.compareTo(t.key);
// 同样调用比较方法并返回一个整数
if (cmp < 0)
// 待插入元素的key"小于"当前位置元素的key，则查询左子树
t = t.left;
else if (cmp > 0)
// 待插入元素的key"大于"当前位置元素的key，则查询右子树
t = t.right;
else
// "相等"则替换其value。
return t.setValue(value);
} while (t != null);
}
Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);
// 根据key找到父节点后新建一个节点
if (cmp < 0)
// 根据比较的结果来确定放在左子树还是右子树
parent.left = e;
else
parent.right = e;
fixAfterInsertion(e);
size++; // 集合大小+1
modCount++; // 集合结构被修改次数+1
return null;
}
复制代码自定义比较器的使用，说了这么多关于比较器的内容？
先来看下面这段代码
public class LiboExample {
public static void main(String[] args) {
Map<String, String> map = new TreeMap<>();
map.put("ddd", "444");
map.put("ccc", "333");
map.put("bbb", "222");
map.put("aaa", "111");
Set<Entry<String, String>> entrySet = map.entrySet();
for (Entry<String, String> each : entrySet) { System.out.println(each.getKey()+"::"+each.getValue());
}
}
}
复制代码输出结果如下，结果是排序过的，那是因为String类实现了Comparable接口并实现了compareTo()方法，该方法按字典顺序比较两个字符串。
aaa::111
bbb::222
ccc::333
ddd::444
复制代码下面我们写个自定义User类，使用2种方式将类对象按照age字段从小到大排序。
方式1，User实现Comparable接口并实现了compareTo()方法
User类
public class User implements Comparable<User>{
private String username;
private int age;
public User(String username, int age) {
this.username = username;
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User [username=" + username +
", age=" + age + "]";
}
@Override
public int compareTo(User user) {
int temp = this.age - user.age;
return temp == 0 ? this.username.
compareTo(user.username) : temp;
}
}
复制代码测试代码
public class TreeMapDemo1 {
public static void main(String[] args) {
Map<User, String> map = new TreeMap<>();
map.put(new User("jimmy1", 30), "hello");
map.put(new User("jimmy2", 30), "hello");
map.put(new User("jimmy", 22), "hello");
map.put(new User("jimmy", 20), "hello");
Set<Entry<User, String>> entrySet = map.entrySet();
for (Entry<User, String> each : entrySet) {
System.out.println(each.getKey()+"::"+each.getValue());
}
}
}
复制代码输出结果如下，首先按age排序，若年龄相等则再按username的字母表顺序排序。
User [username=jimmy, age=20]::hello
User [username=jimmy, age=22]::hello
User [username=jimmy1, age=30]::hello
User [username=jimmy2, age=30]::hello
复制代码方式2，写一个类实现java.util.Comparator接口，并将该类对象传递给TreeMap的构造方法。
这种方式将实体类和比较机制解耦合，可以写很多个不同的比较器对象。
实体类
public class User3 {
// User对象不再实现任何接口
private String username;
private int age;
public User3(String username, int age) {
super();
this.username = username;
this.age = age;
}
public String getUsername() {
return username;
}
public void setUsername(String username) {
this.username = username;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User3 [username=" + username +
", age=" + age + "]";
}
}
复制代码比较器类
public class TreeMapComparator implements Comparator<User3>{
// 比较器类
@Override
public int compare(User3 o1, User3 o2) {
int temp = o1.getAge() - o2.getAge();
return temp == 0 ?
o1.getUsername().compareTo(o2.getUsername())
: temp;
}
}
复制代码测试代码
public class TreeMapDemo3 {
public static void main(String[] args) {
Map<User3, String> map = new TreeMap<>(new TreeMapComparator());
map.put(new User3("jimmy1", 30), "hello");
map.put(new User3("jimmy2", 30), "hello");
map.put(new User3("jimmy", 22), "hello");
map.put(new User3("jimmy", 20), "hello");
Set<Entry<User3, String>> entrySet = map.entrySet();
for (Entry<User3, String> each : entrySet) {
System.out.println(each.getKey()+"::"+each.getValue());
}
}
}
复制代码输出结果如下，跟上面的相同。
User3 [username=jimmy, age=20]::hello
User3 [username=jimmy, age=22]::hello
User3 [username=jimmy1, age=30]::hello
User3 [username=jimmy2, age=30]::hello
复制代码当然，我们还可以不写比较器类，而是使用匿名内部类的形式来写比较器。
public class TreeMapDemo4 {
public static void main(String[] args) {
Map<User3, String> map = new TreeMap<>(new Comparator<User3>() {
@Override
public int compare(User3 o1, User3 o2) {
int temp = o1.getAge() - o2.getAge();
return temp == 0 ? o1.getUsername().compareTo(o2.getUsername()) : temp;
}
});
map.put(new User3("jimmy1", 30), "hello");
map.put(new User3("jimmy2", 30), "hello");
map.put(new User3("jimmy", 22), "hello");
map.put(new User3("jimmy", 20), "hello");
Set<Entry<User3, String>> entrySet = map.entrySet();
for (Entry<User3, String> each : entrySet) {
System.out.println(each.getKey()+"::"+each.getValue());
}
}
}
复制代码一帮以getEntry()方法为基础的获取元素的方法，其中包括containsKey()，get()，remove()等。
final Entry<K,V> getEntry(Object key) {
// 如果有自定义比较器对象，就按照自定义规则遍历二叉树
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) {
//按照默认比较规则遍历二叉树
int cmp = k.compareTo(p.key);
if (cmp < 0)
p = p.left;
else if (cmp > 0)
p = p.right;
else
return p;
}
return null;
}
复制代码一帮以getFirstEntry()，getLastEntry()为基础的获取头和尾元素的方法，其中包括：firstKey()，lastKey()；firstEntry()，lastEntry()；pollFirstEntry()，pollLastEntry()；
final Entry<K,V> getFirstEntry() {
// 获取第一个元素也就是最小的元素，一直遍历左子树
Entry<K,V> p = root;
if (p != null)
while (p.left != null)
p = p.left;
return p;
}
final Entry<K,V> getLastEntry() {
// 获取最后个元素也就是最大的元素，一直遍历右子树
Entry<K,V> p = root;
if (p != null)
while (p.right != null)
p = p.right;
return p;
}
复制代码keySet()和entrySet()方法，在将HashMap的时候已经讲过了，Map没有迭代器，要将Map转化为Set，用Set的迭代器才能进行元素迭代。
总结
TreeMap继承了Map的性质，同时其树结构又可以进行元素排序，用处很大。
作者：李浩宇Alex
链接：https://juejin.cn/post/6979571483588689956
来源：掘金
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