TreeMap底层原理详解

TreeMap底层原理详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_61160520/article/details/140823648

TreeMap是Java集合框架中的一种有序的键值对集合，基于红黑树实现。它可以根据键的自然顺序或提供的比较器对键进行排序。本文将详细介绍TreeMap的底层原理，包括其继承关系、红黑树的性质、节点结构、成员变量以及各种操作。

继承与实现关系

• TreeMap继承自AbstractMap抽象类。
• 它实现了NavigableMap接口
• NavigableMap接口继承了SortedMap接口，后者提供了基于键排序的功能。

红黑树的性质

红黑树是一种自平衡的二叉查找树，具有以下性质：

1. 每个节点要么是红色要么是黑色。
2. 根节点总是黑色。
3. 所有叶子节点（NIL节点，空节点）都是黑色。
4. 如果一个节点是红色的，则它的两个子节点都是黑色的（没有连续的红色节点）。
5. 从任一节点到其所有后代叶子节点的所有简单路径都包含相同数目的黑色节点。

这些性质保证了树的高度始终保持在对数级别，从而保证了插入、删除和查找操作的时间复杂度为 O(log n)。

TreeMap 的节点结构

TreeMap使用一个名为Entry的内部类来表示红黑树的节点。每个Entry包含以下字段：

• key：键。
• value：值。
• left：指向左子节点的引用。
• right：指向右子节点的引用。
• parent：指向父节点的引用。
• color：节点的颜色（红色或黑色），默认为黑色。

TreeMap 的成员变量

• comparator：用于比较键的比较器。如果没有提供比较器，则使用键的自然排序。
• root：红黑树的根节点。
• size：树中的节点数。

TreeMap 的操作

插入操作

当向TreeMap插入一个新的键值对时，首先会查找该键是否已经存在于树中。如果不存在，则按照红黑树的规则插入一个新的节点。插入后的节点最初为红色，然后通过旋转和重新着色操作来恢复红黑树的性质。

删除操作

删除操作通常涉及查找要删除的节点，然后进行替换、旋转和重新着色，以保持红黑树的性质。

查找操作

查找操作利用二叉树的性质，从根节点开始，根据键的比较结果决定是向左还是向右移动，直到找到对应的节点或到达空节点为止。

导航方法

NavigableMap接口提供了一系列的导航方法，如firstEntry()、lastEntry()、higherEntry(K key)、lowerEntry(K key)等，这些方法可以用来获取特定条件下的键值对。

排序

TreeMap判断两个key相等的标准：两个key通过compareTo()方法或者compare()方法返回0。

• 自然排序：TreeMap 的所有的 Key 必须实现 Comparable 接口，而且所有的 Key 应该是同一个类的对象，否则将会抛出 ClasssCastException
• 定制排序：创建 TreeMap 时，构造器传入一个 Comparator 对象，该对象负责对 TreeMap 中的所有 key 进行排序。此时不需要 Map 的 Key 实现 Comparable 接口

public class TestTreeMap {
    /*
    * 自然排序举例
    * */
    @Test
    public void test1(){
        TreeMap map = new TreeMap();
        map.put("CC",45);
        map.put("MM",78);
        map.put("DD",56);
        map.put("GG",89);
        map.put("JJ",99);
        Set entrySet = map.entrySet();
        for(Object entry : entrySet){
            System.out.println(entry);
        }
    }
    /*
    * 定制排序
    *
    * */
    @Test
    public void test2(){
        //使用User自定义排序，按照User的姓名的从小到大的顺序排列
        TreeMap map = new TreeMap((o1, o2) -> {
            User u1 = (User)o1;
            User u2 = (User)o2;
            return u1.name.compareTo(u2.name);
        });
        map.put(new User("Tom",12),67);
        map.put(new User("Rose",23),87);
        map.put(new User("Jerry",21),88);
        map.put(new User("Eric",18),45);
        map.put(new User("Tommy",44),77);
        map.put(new User("Jim",23),88);
        map.put(new User("Maria",18),34);
        Set entrySet = map.entrySet();
        for(Object entry : entrySet){
            System.out.println(entry);
        }
    }
}
class User implements Comparable{
    String name;
    int age;
    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public User() {
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
    /*
    举例：按照age从小到大的顺序排列，如果age相同，则按照name从大到小的顺序排列
    * */
    @Override
    public int compareTo(Object o) {
        if(this == o){
            return 0;
        }
        if(o instanceof User){
            User user = (User)o;
            int value = this.age - user.age;
            if(value != 0){
                return value;
            }
            return -this.name.compareTo(user.name);
        }
        throw new RuntimeException("输入的类型不匹配");
    }
}