Java集合---TreeSet原理分析

来源：互联网发布：白话粒子群优化算法编辑：程序博客网时间：2024/05/17 04:37

第1部分 TreeSet介绍
第2部分 TreeSet数据结构
第3部分 TreeSet源码解析(基于JDK1.6.0_45)
第4部分 TreeSet遍历方式
第5部分 TreeSet示例

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第1部分 TreeSet介绍

TreeSet简介

TreeSet 是一个有序的集合，它的作用是提供有序的Set集合。它继承于AbstractSet抽象类，实现了NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable接口。
TreeSet 继承于AbstractSet，所以它是一个Set集合，具有Set的属性和方法。
TreeSet 实现了NavigableSet接口，意味着它支持一系列的导航方法。比如查找与指定目标最匹配项。
TreeSet 实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。
TreeSet 实现了java.io.Serializable接口，意味着它支持序列化。

TreeSet是基于TreeMap实现的。TreeSet中的元素支持2种排序方式：自然排序或者根据创建TreeSet 时提供的 Comparator 进行排序。这取决于使用的构造方法。
TreeSet为基本操作（add、remove 和 contains）提供受保证的 log(n) 时间开销。
另外，TreeSet是非同步的。它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fast的。

TreeSet的构造函数

// 默认构造函数。使用该构造函数，TreeSet中的元素按照自然排序进行排列。TreeSet()// 创建的TreeSet包含collectionTreeSet(Collection<? extends E> collection)// 指定TreeSet的比较器TreeSet(Comparator<? super E> comparator)// 创建的TreeSet包含setTreeSet(SortedSet<E> set)

TreeSet的API

boolean                   add(E object)boolean                   addAll(Collection<? extends E> collection)void                      clear()Object                    clone()boolean                   contains(Object object)E                         first()boolean                   isEmpty()E                         last()E                         pollFirst()E                         pollLast()E                         lower(E e)E                         floor(E e)E                         ceiling(E e)E                         higher(E e)boolean                   remove(Object object)int                       size()Comparator<? super E>     comparator()Iterator<E>               iterator()Iterator<E>               descendingIterator()SortedSet<E>              headSet(E end)NavigableSet<E>           descendingSet()NavigableSet<E>           headSet(E end, boolean endInclusive)SortedSet<E>              subSet(E start, E end)NavigableSet<E>           subSet(E start, boolean startInclusive, E end, boolean endInclusive)NavigableSet<E>           tailSet(E start, boolean startInclusive)SortedSet<E>              tailSet(E start)

说明：

(01) TreeSet是有序的Set集合，因此支持add、remove、get等方法。
(02) 和NavigableSet一样，TreeSet的导航方法大致可以区分为两类，一类时提供元素项的导航方法，返回某个元素；另一类时提供集合的导航方法，返回某个集合。
lower、floor、ceiling 和 higher 分别返回小于、小于等于、大于等于、大于给定元素的元素，如果不存在这样的元素，则返回 null。

第2部分 TreeSet数据结构

TreeSet的继承关系

java.lang.Object   ↳     java.util.AbstractCollection<E>         ↳     java.util.AbstractSet<E>               ↳     java.util.TreeSet<E>public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>            implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable{}

TreeSet与Collection关系如下图：

从图中可以看出：
(01) TreeSet继承于AbstractSet，并且实现了NavigableSet接口。
(02) TreeSet的本质是一个"有序的，并且没有重复元素"的集合，它是通过TreeMap实现的。TreeSet中含有一个"NavigableMap类型的成员变量"m，而m实际上是"TreeMap的实例"。

第3部分 TreeSet源码解析(基于JDK1.6.0_45)

为了更了解TreeSet的原理，下面对TreeSet源码代码作出分析。

  1 package java.util;  2   3 public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>  4     implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable  5 {  6     // NavigableMap对象  7     private transient NavigableMap<E,Object> m;  8   9     // TreeSet是通过TreeMap实现的， 10     // PRESENT是键-值对中的值。 11     private static final Object PRESENT = new Object(); 12  13     // 不带参数的构造函数。创建一个空的TreeMap 14     public TreeSet() { 15         this(new TreeMap<E,Object>()); 16     } 17  18     // 将TreeMap赋值给 "NavigableMap对象m" 19     TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) { 20         this.m = m; 21     } 22  23     // 带比较器的构造函数。 24     public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) { 25         this(new TreeMap<E,Object>(comparator)); 26     } 27  28     // 创建TreeSet，并将集合c中的全部元素都添加到TreeSet中 29     public TreeSet(Collection<? extends E> c) { 30         this(); 31         // 将集合c中的元素全部添加到TreeSet中 32         addAll(c); 33     } 34  35     // 创建TreeSet，并将s中的全部元素都添加到TreeSet中 36     public TreeSet(SortedSet<E> s) { 37         this(s.comparator()); 38         addAll(s); 39     } 40  41     // 返回TreeSet的顺序排列的迭代器。 42     // 因为TreeSet时TreeMap实现的，所以这里实际上时返回TreeMap的“键集”对应的迭代器 43     public Iterator<E> iterator() { 44         return m.navigableKeySet().iterator(); 45     } 46  47     // 返回TreeSet的逆序排列的迭代器。 48     // 因为TreeSet时TreeMap实现的，所以这里实际上时返回TreeMap的“键集”对应的迭代器 49     public Iterator<E> descendingIterator() { 50         return m.descendingKeySet().iterator(); 51     } 52  53     // 返回TreeSet的大小 54     public int size() { 55         return m.size(); 56     } 57  58     // 返回TreeSet是否为空 59     public boolean isEmpty() { 60         return m.isEmpty(); 61     } 62  63     // 返回TreeSet是否包含对象(o) 64     public boolean contains(Object o) { 65         return m.containsKey(o); 66     } 67  68     // 添加e到TreeSet中 69     public boolean add(E e) { 70         return m.put(e, PRESENT)==null; 71     } 72  73     // 删除TreeSet中的对象o 74     public boolean remove(Object o) { 75         return m.remove(o)==PRESENT; 76     } 77  78     // 清空TreeSet 79     public void clear() { 80         m.clear(); 81     } 82  83     // 将集合c中的全部元素添加到TreeSet中 84     public  boolean addAll(Collection<? extends E> c) { 85         // Use linear-time version if applicable 86         if (m.size()==0 && c.size() > 0 && 87             c instanceof SortedSet && 88             m instanceof TreeMap) { 89             SortedSet<? extends E> set = (SortedSet<? extends E>) c; 90             TreeMap<E,Object> map = (TreeMap<E, Object>) m; 91             Comparator<? super E> cc = (Comparator<? super E>) set.comparator(); 92             Comparator<? super E> mc = map.comparator(); 93             if (cc==mc || (cc != null && cc.equals(mc))) { 94                 map.addAllForTreeSet(set, PRESENT); 95                 return true; 96             } 97         } 98         return super.addAll(c); 99     }100 101     // 返回子Set，实际上是通过TreeMap的subMap()实现的。102     public NavigableSet<E> subSet(E fromElement, boolean fromInclusive,103                                   E toElement,   boolean toInclusive) {104         return new TreeSet<E>(m.subMap(fromElement, fromInclusive,105                                        toElement,   toInclusive));106     }107 108     // 返回Set的头部，范围是：从头部到toElement。109     // inclusive是是否包含toElement的标志110     public NavigableSet<E> headSet(E toElement, boolean inclusive) {111         return new TreeSet<E>(m.headMap(toElement, inclusive));112     }113 114     // 返回Set的尾部，范围是：从fromElement到结尾。115     // inclusive是是否包含fromElement的标志116     public NavigableSet<E> tailSet(E fromElement, boolean inclusive) {117         return new TreeSet<E>(m.tailMap(fromElement, inclusive));118     }119 120     // 返回子Set。范围是：从fromElement(包括)到toElement(不包括)。121     public SortedSet<E> subSet(E fromElement, E toElement) {122         return subSet(fromElement, true, toElement, false);123     }124 125     // 返回Set的头部，范围是：从头部到toElement(不包括)。126     public SortedSet<E> headSet(E toElement) {127         return headSet(toElement, false);128     }129 130     // 返回Set的尾部，范围是：从fromElement到结尾(不包括)。131     public SortedSet<E> tailSet(E fromElement) {132         return tailSet(fromElement, true);133     }134 135     // 返回Set的比较器136     public Comparator<? super E> comparator() {137         return m.comparator();138     }139 140     // 返回Set的第一个元素141     public E first() {142         return m.firstKey();143     }144 145     // 返回Set的最后一个元素146     public E first() {147     public E last() {148         return m.lastKey();149     }150 151     // 返回Set中小于e的最大元素152     public E lower(E e) {153         return m.lowerKey(e);154     }155 156     // 返回Set中小于/等于e的最大元素157     public E floor(E e) {158         return m.floorKey(e);159     }160 161     // 返回Set中大于/等于e的最小元素162     public E ceiling(E e) {163         return m.ceilingKey(e);164     }165 166     // 返回Set中大于e的最小元素167     public E higher(E e) {168         return m.higherKey(e);169     }170 171     // 获取第一个元素，并将该元素从TreeMap中删除。172     public E pollFirst() {173         Map.Entry<E,?> e = m.pollFirstEntry();174         return (e == null)? null : e.getKey();175     }176 177     // 获取最后一个元素，并将该元素从TreeMap中删除。178     public E pollLast() {179         Map.Entry<E,?> e = m.pollLastEntry();180         return (e == null)? null : e.getKey();181     }182 183     // 克隆一个TreeSet，并返回Object对象184     public Object clone() {185         TreeSet<E> clone = null;186         try {187             clone = (TreeSet<E>) super.clone();188         } catch (CloneNotSupportedException e) {189             throw new InternalError();190         }191 192         clone.m = new TreeMap<E,Object>(m);193         return clone;194     }195 196     // java.io.Serializable的写入函数197     // 将TreeSet的“比较器、容量，所有的元素值”都写入到输出流中198     private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)199         throws java.io.IOException {200         s.defaultWriteObject();201 202         // 写入比较器203         s.writeObject(m.comparator());204 205         // 写入容量206         s.writeInt(m.size());207 208         // 写入“TreeSet中的每一个元素”209         for (Iterator i=m.keySet().iterator(); i.hasNext(); )210             s.writeObject(i.next());211     }212 213     // java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式读出214     // 先将TreeSet的“比较器、容量、所有的元素值”依次读出215     private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)216         throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {217         // Read in any hidden stuff218         s.defaultReadObject();219 220         // 从输入流中读取TreeSet的“比较器”221         Comparator<? super E> c = (Comparator<? super E>) s.readObject();222 223         TreeMap<E,Object> tm;224         if (c==null)225             tm = new TreeMap<E,Object>();226         else227             tm = new TreeMap<E,Object>(c);228         m = tm;229 230         // 从输入流中读取TreeSet的“容量”231         int size = s.readInt();232 233         // 从输入流中读取TreeSet的“全部元素”234         tm.readTreeSet(size, s, PRESENT);235     }236 237     // TreeSet的序列版本号238     private static final long serialVersionUID = -2479143000061671589L;239 }

总结：

(01) TreeSet实际上是TreeMap实现的。当我们构造TreeSet时；若使用不带参数的构造函数，则TreeSet的使用自然比较器；若用户需要使用自定义的比较器，则需要使用带比较器的参数。
(02) TreeSet是非线程安全的。
(03) TreeSet实现java.io.Serializable的方式。当写入到输出流时，依次写入“比较器、容量、全部元素”；当读出输入流时，再依次读取。

第4部分 TreeSet遍历方式

4.1 Iterator顺序遍历

for(Iterator iter = set.iterator(); iter.hasNext(); ) {     iter.next();}

4.2 Iterator顺序遍历

// 假设set是TreeSet对象for(Iterator iter = set.descendingIterator(); iter.hasNext(); ) {     iter.next();}

4.3 for-each遍历HashSet

// 假设set是TreeSet对象，并且set中元素是String类型String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);for (String str:arr)    System.out.printf("for each : %s\n", str);

TreeSet不支持快速随机遍历，只能通过迭代器进行遍历！

TreeSet遍历测试程序如下：

 1 import java.util.*; 2  3 /** 4  * @desc TreeSet的遍历程序 5  * 6  * @author skywang 7  * @email kuiwu-wang@163.com 8  */ 9 public class TreeSetIteratorTest {10 11     public static void main(String[] args) {12         TreeSet set = new TreeSet();13         set.add("aaa");14         set.add("aaa");15         set.add("bbb");16         set.add("eee");17         set.add("ddd");18         set.add("ccc");19 20         // 顺序遍历TreeSet21         ascIteratorThroughIterator(set) ;22         // 逆序遍历TreeSet23         descIteratorThroughIterator(set);24         // 通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组25         foreachTreeSet(set);26     }27 28     // 顺序遍历TreeSet29     public static void ascIteratorThroughIterator(TreeSet set) {30         System.out.print("\n ---- Ascend Iterator ----\n");31         for(Iterator iter = set.iterator(); iter.hasNext(); ) {32             System.out.printf("asc : %s\n", iter.next());33         }34     }35 36     // 逆序遍历TreeSet37     public static void descIteratorThroughIterator(TreeSet set) {38         System.out.printf("\n ---- Descend Iterator ----\n");39         for(Iterator iter = set.descendingIterator(); iter.hasNext(); )40             System.out.printf("desc : %s\n", (String)iter.next());41     }42 43     // 通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组44     private static void foreachTreeSet(TreeSet set) {45         System.out.printf("\n ---- For-each ----\n");46         String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);47         for (String str:arr)48             System.out.printf("for each : %s\n", str);49     }50 }

运行结果：

 ---- Ascend Iterator ----asc : aaaasc : bbbasc : cccasc : dddasc : eee ---- Descend Iterator ----desc : eeedesc : ddddesc : cccdesc : bbbdesc : aaa ---- For-each ----for each : aaafor each : bbbfor each : cccfor each : dddfor each : eee

第5部分 TreeSet示例

下面通过实例学习如何使用TreeSet

 1 import java.util.*; 2  3 /** 4  * @desc TreeSet的API测试 5  * 6  * @author skywang 7  * @email kuiwu-wang@163.com 8  */ 9 public class TreeSetTest {10 11     public static void main(String[] args) {12         testTreeSetAPIs();13     }14     15     // 测试TreeSet的api16     public static void testTreeSetAPIs() {17         String val;18 19         // 新建TreeSet20         TreeSet tSet = new TreeSet();21         // 将元素添加到TreeSet中22         tSet.add("aaa");23         // Set中不允许重复元素，所以只会保存一个“aaa”24         tSet.add("aaa");25         tSet.add("bbb");26         tSet.add("eee");27         tSet.add("ddd");28         tSet.add("ccc");29         System.out.println("TreeSet:"+tSet);30 31         // 打印TreeSet的实际大小32         System.out.printf("size : %d\n", tSet.size());33 34         // 导航方法35         // floor(小于、等于)36         System.out.printf("floor bbb: %s\n", tSet.floor("bbb"));37         // lower(小于)38         System.out.printf("lower bbb: %s\n", tSet.lower("bbb"));39         // ceiling(大于、等于)40         System.out.printf("ceiling bbb: %s\n", tSet.ceiling("bbb"));41         System.out.printf("ceiling eee: %s\n", tSet.ceiling("eee"));42         // ceiling(大于)43         System.out.printf("higher bbb: %s\n", tSet.higher("bbb"));44         // subSet()45         System.out.printf("subSet(aaa, true, ccc, true): %s\n", tSet.subSet("aaa", true, "ccc", true));46         System.out.printf("subSet(aaa, true, ccc, false): %s\n", tSet.subSet("aaa", true, "ccc", false));47         System.out.printf("subSet(aaa, false, ccc, true): %s\n", tSet.subSet("aaa", false, "ccc", true));48         System.out.printf("subSet(aaa, false, ccc, false): %s\n", tSet.subSet("aaa", false, "ccc", false));49         // headSet()50         System.out.printf("headSet(ccc, true): %s\n", tSet.headSet("ccc", true));51         System.out.printf("headSet(ccc, false): %s\n", tSet.headSet("ccc", false));52         // tailSet()53         System.out.printf("tailSet(ccc, true): %s\n", tSet.tailSet("ccc", true));54         System.out.printf("tailSet(ccc, false): %s\n", tSet.tailSet("ccc", false));55 56 57         // 删除“ccc”58         tSet.remove("ccc");59         // 将Set转换为数组60         String[] arr = (String[])tSet.toArray(new String[0]);61         for (String str:arr)62             System.out.printf("for each : %s\n", str);63 64         // 打印TreeSet65         System.out.printf("TreeSet:%s\n", tSet);66 67         // 遍历TreeSet68         for(Iterator iter = tSet.iterator(); iter.hasNext(); ) {69             System.out.printf("iter : %s\n", iter.next());70         }71 72         // 删除并返回第一个元素73         val = (String)tSet.pollFirst();74         System.out.printf("pollFirst=%s, set=%s\n", val, tSet);75 76         // 删除并返回最后一个元素77         val = (String)tSet.pollLast();78         System.out.printf("pollLast=%s, set=%s\n", val, tSet);79 80         // 清空HashSet81         tSet.clear();82 83         // 输出HashSet是否为空84         System.out.printf("%s\n", tSet.isEmpty()?"set is empty":"set is not empty");85     }86 }

运行结果：

TreeSet:[aaa, bbb, ccc, ddd, eee]size : 5floor bbb: bbblower bbb: aaaceiling bbb: bbbceiling eee: eeehigher bbb: cccsubSet(aaa, true, ccc, true): [aaa, bbb, ccc]subSet(aaa, true, ccc, false): [aaa, bbb]subSet(aaa, false, ccc, true): [bbb, ccc]subSet(aaa, false, ccc, false): [bbb]headSet(ccc, true): [aaa, bbb, ccc]headSet(ccc, false): [aaa, bbb]tailSet(ccc, true): [ccc, ddd, eee]tailSet(ccc, false): [ddd, eee]for each : aaafor each : bbbfor each : dddfor each : eeeTreeSet:[aaa, bbb, ddd, eee]iter : aaaiter : bbbiter : ddditer : eeepollFirst=aaa, set=[bbb, ddd, eee]pollLast=eee, set=[bbb, ddd]set is empty

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