JDK1.8源码(十一)——java.util.TreeMap类

  在前面几篇博客分别介绍了这样几种集合,基于数组实现的ArrayList 类,基于链表实现的LinkedList 类,基于散列表实现的HashMap 类,本篇博客我们来介绍另一种数据类型,基于树实现的TreeSet类。

1、TreeMap 定义

  听名字就知道,TreeMap 是由Tree 和 Map 集合有关的,没错,TreeMap 是由红黑树实现的有序的 key-value 集合。

  PS:想要学懂TreeMap的实现原理,红黑树的了解是必不可少的!!!

public class TreeMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable

  TreeMap 首先继承了 AbstractMap 抽象类,表示它具有散列表的性质,也就是由 key-value 组成。

  其次 TreeMap 实现了 NavigableMap 接口,该接口支持一系列获取指定集合的导航方法,比如获取小于指定key的集合。

  最后分别实现 Serializable 接口以及 Cloneable 接口,分别表示支持对象序列化以及对象克隆

2、字段定义

  ①、Comparator

    /**
     * The comparator used to maintain order in this tree map, or
     * null if it uses the natural ordering of its keys.
     *
     * @serial
     */
    private final Comparator<? super K> comparator;

  可以看上面的英文注释,Comparator 是用来维护treemap集合中的顺序,如果为null,则按照key的自然顺序。

  Comparator 是一个接口,排序时需要实现其 compare 方法,该方法返回正数,零,负数分别代表大于,等于,小于。那么怎么使用呢?这里举个例子:

  这里有一个Person类,里面有两个属性pname,page,我们将该person对象放入ArrayList集合时,需要对其按照年龄进行排序。

 1 package com.ys.test;
 2 
 3 /**
 4  * Create by YSOcean
 5  */
 6 public class Person {
 7     private String pname;
 8     private Integer page;
 9 
10     public Person() {
11     }
12 
13     public Person(String pname, Integer page) {
14         this.pname = pname;
15         this.page = page;
16     }
17 
18     public String getPname() {
19         return pname;
20     }
21 
22     public void setPname(String pname) {
23         this.pname = pname;
24     }
25 
26     public Integer getPage() {
27         return page;
28     }
29 
30     public void setPage(Integer page) {
31         this.page = page;
32     }
33 
34     @Override
35     public String toString() {
36         return "Person{" +
37                 "pname='" + pname + '\'' +
38                 ", page=" + page +
39                 '}';
40     }
41 }

  排序代码:

 1 List<Person> personList = new ArrayList<>();
 2 personList.add(new Person("李四",20));
 3 personList.add(new Person("张三",10));
 4 personList.add(new Person("王五",30));
 5 System.out.println("原始顺序为:"+personList.toString());
 6 Collections.sort(personList, new Comparator<Person>() {
 7     @Override
 8     public int compare(Person o1, Person o2) {
 9         //升序
10         //return o1.getPage()-o2.getPage();
11         //降序
12         return o2.getPage()-o1.getPage();
13         //不变
14         //return 0
15     }
16 });
17 System.out.println("排序后顺序为:"+personList.toString());

  打印结果为:

  ②、Entry

private transient Entry<K,V> root;

  对于Entry详细源码如下:

 1     static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
 2         K key;
 3         V value;
 4         Entry<K,V> left;
 5         Entry<K,V> right;
 6         Entry<K,V> parent;
 7         boolean color = BLACK;
 8 
 9         /**
10          * Make a new cell with given key, value, and parent, and with
11          * {@code null} child links, and BLACK color.
12          */
13         Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) {
14             this.key = key;
15             this.value = value;
16             this.parent = parent;
17         }
18 
19         /**
20          * Returns the key.
21          *
22          * @return the key
23          */
24         public K getKey() {
25             return key;
26         }
27 
28         /**
29          * Returns the value associated with the key.
30          *
31          * @return the value associated with the key
32          */
33         public V getValue() {
34             return value;
35         }
36 
37         /**
38          * Replaces the value currently associated with the key with the given
39          * value.
40          *
41          * @return the value associated with the key before this method was
42          *         called
43          */
44         public V setValue(V value) {
45             V oldValue = this.value;
46             this.value = value;
47             return oldValue;
48         }
49 
50         public boolean equals(Object o) {
51             if (!(o instanceof Map.Entry))
52                 return false;
53             Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
54 
55             return valEquals(key,e.getKey()) && valEquals(value,e.getValue());
56         }
57 
58         public int hashCode() {
59             int keyHash = (key==null ? 0 : key.hashCode());
60             int valueHash = (value==null ? 0 : value.hashCode());
61             return keyHash ^ valueHash;
62         }
63 
64         public String toString() {
65             return key + "=" + value;
66         }
67     }

  这里主要看 Entry 类的几个字段:

K key;
V value;
Entry<K,V> left;
Entry<K,V> right;
Entry<K,V> parent;
boolean color = BLACK;

  相信对红黑树这种数据结构了解的人,一看这几个字段就明白了,这也印证了前面所说的TreeMap底层有红黑树这种数据结构。

  ③、size

    /**
     * The number of entries in the tree
     */
    private transient int size = 0;

  用来表示entry的个数,也就是key-value的个数。

  ④、modCount

    /**
     * The number of structural modifications to the tree.
     */
    private transient int modCount = 0;

  基本上前面讲的在ArrayList,LinkedList,HashMap等线程不安全的集合都有此字段,用来实现Fail-Fast 机制,如果在迭代这些集合的过程中,有其他线程修改了这些集合,就会抛出ConcurrentModificationException异常。

  ⑤、红黑树常量

    private static final boolean RED   = false;
    private static final boolean BLACK = true;

3、构造函数

  ①、无参构造函数

1     public TreeMap() {
2         comparator = null;
3     }

  将比较器 comparator 置为 null,表示按照key的自然顺序进行排序。

  ②、带比较器的构造函数

1     public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {
2         this.comparator = comparator;
3     }

  需要自己实现Comparator。

  ③、构造包含指定map集合的元素

1     public TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
2         comparator = null;
3         putAll(m);
4     }

  使用该构造器创建的TreeMap,会默认插入m表示的集合元素,并且comparator表示按照自然顺序进行插入。

  ④、带 SortedMap的构造函数

1     public TreeMap(SortedMap<K, ? extends V> m) {
2         comparator = m.comparator();
3         try {
4             buildFromSorted(m.size(), m.entrySet().iterator(), null, null);
5         } catch (java.io.IOException cannotHappen) {
6         } catch (ClassNotFoundException cannotHappen) {
7         }
8     }

  和上面带Map的构造函数不一样,map是无序的,而SortedMap 是有序的,使用 buildFromSorted() 方法将SortedMap集合中的元素插入到TreeMap 中。

4、添加元素

 1     //添加元素
 2     public V put(K key, V value) {
 3         TreeMap.Entry<K,V> t = root;
 4         //如果根节点为空,即TreeMap中一个元素都没有,那么设置新添加的元素为根节点
 5         //并且设置集合大小size=1,以及modCount+1,这是用于快速失败
 6         if (t == null) {
 7             compare(key, key); // type (and possibly null) check
 8 
 9             root = new TreeMap.Entry<>(key, value, null);
10             size = 1;
11             modCount++;
12             return null;
13         }
14         int cmp;
15         TreeMap.Entry<K,V> parent;
16         // split comparator and comparable paths
17         Comparator<? super K> cpr = comparator;
18         //如果比较器不为空,即初始化TreeMap构造函数时,有传递comparator类
19         //那么插入新的元素时,按照comparator实现的类进行排序
20         if (cpr != null) {
21             //通过do-while循环不断遍历树,调用比较器对key值进行比较
22             do {
23                 parent = t;
24                 cmp = cpr.compare(key, t.key);
25                 if (cmp < 0)
26                     t = t.left;
27                 else if (cmp > 0)
28                     t = t.right;
29                 else
30                     //遇到key相等,直接将新值覆盖到原值上
31                     return t.setValue(value);
32             } while (t != null);
33         }
34         //如果比较器为空,即初始化TreeMap构造函数时,没有传递comparator类
35         //那么插入新的元素时,按照key的自然顺序
36         else {
37             //如果key==null,直接抛出异常
38             //注意,上面构造TreeMap传入了Comparator,是可以允许key==null
39             if (key == null)
40                 throw new NullPointerException();
41             @SuppressWarnings("unchecked")
42             Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
43             do {
44                 parent = t;
45                 cmp = k.compareTo(t.key);
46                 if (cmp < 0)
47                     t = t.left;
48                 else if (cmp > 0)
49                     t = t.right;
50                 else
51                     return t.setValue(value);
52             } while (t != null);
53         }
54         //找到父亲节点,根据父亲节点创建一个新节点
55         TreeMap.Entry<K,V> e = new TreeMap.Entry<>(key, value, parent);
56         if (cmp < 0)
57             parent.left = e;
58         else
59             parent.right = e;
60         //修正红黑树(包括节点的左旋和右旋,具体可以看我Java数据结构和算法中对红黑树的介绍)
61         fixAfterInsertion(e);
62         size++;
63         modCount++;
64         return null;
65     }

  添加元素,如果初始化TreeMap构造函数时,没有传递comparator类,是不允许插入key==null的键值对的,相反,如果实现了Comparator,则可以传递key=null的键值对。

  另外,当插入一个新的元素后(除了根节点),会对TreeMap数据结构进行修正,也就是对红黑树进行修正,使其满足红黑树的几个特点,具体修正方法包括改变节点颜色,左旋,右旋等操作,这里我不做详细介绍了,具体可以参考我的这篇博客:https://www.cnblogs.com/ysocean/p/8004211.html

5、删除元素

  ①、根据key删除

 1     public V remove(Object key) {
 2         //根据key找到该节点
 3         TreeMap.Entry<K,V> p = getEntry(key);
 4         if (p == null)
 5             return null;
 6         //获取该节点的value,并返回
 7         V oldValue = p.value;
 8         //调用deleteEntry()方法删除节点
 9         deleteEntry(p);
10         return oldValue;
11     }
12 
13     private void deleteEntry(TreeMap.Entry<K,V> p) {
14         modCount++;
15         size--;
16 
17         //如果删除节点的左右节点都不为空,即有两个孩子
18         if (p.left != null && p.right != null) {
19             //得到该节点的中序后继节点
20             TreeMap.Entry<K,V> s = successor(p);
21             p.key = s.key;
22             p.value = s.value;
23             p = s;
24         } // p has 2 children
25 
26         // Start fixup at replacement node, if it exists.
27         TreeMap.Entry<K,V> replacement = (p.left != null ? p.left : p.right);
28         //待删除节点只有一个子节点,直接删除该节点,并用该节点的唯一子节点顶替该节点
29         if (replacement != null) {
30             // Link replacement to parent
31             replacement.parent = p.parent;
32             if (p.parent == null)
33                 root = replacement;
34             else if (p == p.parent.left)
35                 p.parent.left  = replacement;
36             else
37                 p.parent.right = replacement;
38 
39             // Null out links so they are OK to use by fixAfterDeletion.
40             p.left = p.right = p.parent = null;
41 
42             // Fix replacement
43             if (p.color == BLACK)
44                 fixAfterDeletion(replacement);
45 
46             //TreeMap中只有待删除节点P,也就是只有一个节点,直接返回nul即可
47         } else if (p.parent == null) { // return if we are the only node.
48             root = null;
49         } else { //  No children. Use self as phantom replacement and unlink.
50             //待删除节点没有子节点,即为叶子节点,直接删除即可
51             if (p.color == BLACK)
52                 fixAfterDeletion(p);
53 
54             if (p.parent != null) {
55                 if (p == p.parent.left)
56                     p.parent.left = null;
57                 else if (p == p.parent.right)
58                     p.parent.right = null;
59                 p.parent = null;
60             }
61         }
62     }

  删除节点分为四种情况:

  1、根据key没有找到该节点:也就是集合中不存在这一个节点,直接返回null即可。

  2、根据key找到节点,又分为三种情况:

    ①、待删除节点没有子节点,即为叶子节点:直接删除该节点即可。

    ②、待删除节点只有一个子节点:那么首先找到待删除节点的子节点,然后删除该节点,用其唯一子节点顶替该节点。

    ③、待删除节点有两个子节点:首先找到该节点的中序后继节点,然后把这个后继节点的内容复制给待删除节点,然后删除该中序后继节点,删除过程又转换成前面①、②两种情况了,这里主要是找到中序后继节点,相当于待删除节点的一个替身。

6、查找元素

  ①、根据key查找

 1     public V get(Object key) {
 2         TreeMap.Entry<K,V> p = getEntry(key);
 3         return (p==null ? null : p.value);
 4     }
 5 
 6     final TreeMap.Entry<K,V> getEntry(Object key) {
 7         // Offload comparator-based version for sake of performance
 8         if (comparator != null)
 9             return getEntryUsingComparator(key);
10         if (key == null)
11             throw new NullPointerException();
12         @SuppressWarnings("unchecked")
13         Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
14         TreeMap.Entry<K,V> p = root;
15         while (p != null) {
16             int cmp = k.compareTo(p.key);
17             if (cmp < 0)
18                 p = p.left;
19             else if (cmp > 0)
20                 p = p.right;
21             else
22                 return p;
23         }
24         return null;
25     }

7、遍历元素

  通常有下面两种方法,第二种方法效率要快很多。

 1 TreeMap<String,Integer> map = new TreeMap<>();
 2 map.put("A",1);
 3 map.put("B",2);
 4 map.put("C",3);
 5 
 6 //第一种方法
 7 //首先利用keySet()方法得到key的集合,然后利用map.get()方法根据key得到value
 8 Iterator<String> iterator = map.keySet().iterator();
 9 while(iterator.hasNext()){
10     String key = iterator.next();
11     System.out.println(key+":"+map.get(key));
12 }
13 
14 //第二种方法
15 Iterator<Map.Entry<String,Integer>> iterator1 = map.entrySet().iterator();
16 while(iterator1.hasNext()){
17     Map.Entry<String,Integer> entry = iterator1.next();
18     System.out.println(entry.getKey()+":"+entry.getValue());
19 }

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