Java 8 容器源码-TreeMap

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作者:潘威威 出处:https://blog.csdn.net/panweiwei1994


TreeMap是Map接口基于红黑树的实现,键值对是有序的。本文主要讲解关于红黑树实现的部分。

部分顶部注释

A Red-Black tree based NavigableMap implementation. The map is sorted according to the Comparable natural ordering of its keys, or by a Comparator provided at map creation time, depending on which constructor is used.

TreeMap是基于NavigableMap的红黑树实现。TreeMap根据键的自然顺序进行排序,或者根据创建map时提供的Comparator进行排序,使用哪种取决于使用的哪个构造方法。

This implementation provides guaranteed log(n) time cost for the containsKey,get, put and remove operations. Algorithms are adaptations of those in Cormen, Leiserson, and Rivest’s Introduction to Algorithms.

TreeMap提供时间复杂度为log(n)的containsKey,get,put ,remove操作。

下面的注释主要讲TreeMap是非同步的,它的迭代器是fail-fastl的。还有很多,不翻译了。

类层次结构图

先来看看TreeMap的定义:

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

从中我们可以了解到:

  • TreeMap<K,V>:TreeMap是以key-value形式存储数据的。
  • extends AbstractMap<K,V>:继承了AbstractMap,实现Map接口时需要实现的工作量大大减少了。
  • implements NavigableMap:实现了NavigableMap,可以返回特定条件最近匹配的导航方法。
  • implements Cloneable:表明其可以调用clone()方法来返回实例的field-for-field拷贝。
  • implements Serializable:表明该类是可以序列化的。

下图是TreeMap的类结构层次图。

MarkdownPhotos/master/CSDNBlogs/container/TreeMap/TreeMapTH.jpg

    /**
     * treeMap的排序规则,如果为null,则根据键的自然顺序进行排序
     *
     * @serial
     */
    private final Comparator<? super K> comparator;

    /**
     * 红黑数的根节点
     */
    private transient Entry<K,V> root;

    /**
     * 红黑树节点的个数
     */
    private transient int size = 0;

    /**
     * treeMap的结构性修改次数。实现fast-fail机制的关键。
     */
    private transient int modCount = 0;

构造函数

TreeMap有四种构造方法:

  1. TreeMap():使用key的自然排序来构造一个空的treeMap。
  2. TreeMap(Comparator comparator):使用给定的比较器来构造一个空的treeMap。 3. TreeMap(Map m):使用key的自然排序来构造一个treeMap,treeMap包含给定map中所有的键值对。 4. TreeMap(SortedMap m):使用指定的sortedMap来构造treeMap。treeMap中含有sortedMap中所有的键值对,键值对顺序和sortedMap中相同。 **TreeMap()** ```java /** * * 使用key的自然排序来构造一个空的treeMap */ public TreeMap() { comparator = null; } ``` **TreeMap(Comparator comparator)** ```java /** * 使用给定的比较器来构造一个空的treeMap * * @param 给定的比较器 */ public TreeMap(Comparator comparator) { this.comparator = comparator; } ``` **TreeMap(Map m)** ```java /** * 使用key的自然排序来构造一个treeMap,treeMap包含给定map中所有的键值对 * * @param m 给定map * @throws ClassCastException 如果map中的key不是Comparable或者不是相互可比较的 * @throws NullPointerException 如果参数map为null */ public TreeMap(Map m) { comparator = null; putAll(m); } ``` 关于putAll()方法的讲解请往下看。 **putAll( Map map)** ```java /** * 将参数map中的所有键值对映射插入到hashMap中,如果有碰撞,则覆盖value。 * * @param map 参数map * @throws ClassCastException * @throws NullPointerException 参数map为null或者参数map中含有值为null的key且treeMap不允许有值为null的key */ public void putAll(Map map) { int mapSize = map.size(); //如果treeMap大小为0且参数map大小不为0且参数map是有序的 if (size==0 && mapSize!=0 && map instanceof SortedMap) { //取出参数map的比较器 Comparator c = ((SortedMap)map).comparator(); //如果参数map的比较器等于treeMap的比较器 if (c == comparator || (c != null && c.equals(comparator))) { //结构性修改次数+1 ++modCount; try { //根据已经一个排好序的map创建一个TreeMap。该方法将map中的元素逐个添加到TreeMap中,并返回map的中间元素作为根节点。 buildFromSorted(mapSize, map.entrySet().iterator(),null, null); } catch (java.io.IOException cannotHappen) { } catch (ClassNotFoundException cannotHappen) { } return; } } //如果执行到了这一步,其实是按照map的entrySet的迭代器的顺序将参数map中所有键值对复制到treeMap中的 super.putAll(map); }

**TreeMap(SortedMap<K, ? extends V> m)** ```java /** * 使用指定的sortedMap来构造treeMap。treeMap中含有sortedMap中所有的键值对,键值对顺序和sortedMap中相同。该方法时间复杂度是线性的。 * * @param m 指定的sortedMap * @throws NullPointerException 如果指定的sortedMap为null */ 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) { } }

该构造函数不同于上一个构造函数TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m),在上一个构造函数中传入的参数是Map,Map不一定有序的。而本构造函数的参数是SortedMap类型,是有序的。

关于buildFromSorted方法的讲解请往下看。

查询操作

size()

    /**
     * 返回treeMap中键值对映射的个数
     *
     * @return 返回treeMap中键值对映射的个数
     */
    public int size() {
        return size;
    }

containsKey( Object key)

    /**
     * 如果map中含有key为指定参数key的键值对,返回true
     *
     * @param key 指定参数key
     * @return 如果map中含有key为指定参数key的键值对,返回true
     * @throws ClassCastException 如果指定参数key不能和map中的key比较
     * @throws NullPointerException 如果指定参数key为null而且map使用自然排序,或者比较器不允许key为null
     */
    public boolean containsKey(Object key) {
        return getEntry(key) != null;
    }

getEntry方法的实现请往下看。

containsValue( Object value)

    /**
     * 如果hashMap中的键值对有一对或多对的value等于参数value,返回true.  
     * 判断是否相等的条件为value==null ? v==null : value.equals(v))
     *
     * @param value value whose presence in this map is to be tested
     * @param value 参数value
     * @return 如果hashMap中的键值对有一对或多对的value为参数value,返回true,否则返回false
     * @since 1.2
     */
    public boolean containsValue(Object value) {
        //遍历treeMap中所有节点
        for (Entry<K,V> e = getFirstEntry(); e != null; e = successor(e))
            //判断是否相等的条件为value==null ? v==null : value.equals(v))
            if (valEquals(value, e.value))
                return true;
        return false;
    }

get(Object key)

    /**
     * 返回指定的key对应的value,如果value为null,则返回null
     *
     * @throws ClassCastException 如果参数key和treeMap中的key不可比较
     * @throws NullPointerException 如果参数key为null而且treeMap使用自然排序或者比较器不允许key为null
     */
    public V get(Object key) {
        Entry<K,V> p = getEntry(key);
        return (p==null ? null : p.value);
    }

**Comparator comparator()** ```javajava /** * 返回comparator */ public Comparator comparator() { return comparator; } ``` **firstKey()** ```java /** * 返回treeMap中的第一个节点的key * @throws 如果第一个节点为null,抛出NoSuchElementException */ public K firstKey() { return key(getFirstEntry()); } ``` **lastKey()** ```java /** * 返回treeMap中的第一个节点的key * @throws 如果第一个节点为null,抛出NoSuchElementException */ public K lastKey() { return key(getLastEntry()); } ``` **putAll( Map map)** putAll()在构造方法TreeMap(Map m)处就已经详细讲解了。 **getEntry( Object key)** ```java /** * 返回参数key对应的节点 * * @return 返回节点,如果没有则返回null * @throws ClassCastException 如果参数key和treeMap中的key无法比较 * @throws NullPointerException 如果参数key为null而且treeMap使用自然排序或者比较器不允许key为null */ final Entry getEntry(Object key) { // Offload comparator-based version for sake of performance //如果比较器为不为null if (comparator != null) //通过比较器来获取结果。下个介绍的方法就是getEntryUsingComparator return getEntryUsingComparator(key); //如果key为null,抛出NullPointerException if (key == null) throw new NullPointerException(); @SuppressWarnings("unchecked") Comparable k = (Comparable) key; Entry p = root; //按照二叉树搜索的方式进行搜索,搜到返回 while (p != null) { //比较节点的key和参数key int cmp = k.compareTo(p.key); //如果节点的key小于参数key if (cmp < 0) //向左遍历 p = p.left; else if (cmp > 0)//如果节点的key大于参数key //向左遍历 p = p.right; else//如果节点的key等于参数key return p; } //如果遍历完依然没有找到对应的节点,返回null return null; } ``` **getEntryUsingComparator( Object key)** ```java /** * 使用comparator获取节点。 */ final Entry getEntryUsingComparator(Object key) { @SuppressWarnings("unchecked") K k = (K) key; Comparator cpr = comparator; if (cpr != null) { Entry p = root; //按照二叉树搜索的方式进行搜索,搜到返回 while (p != null) { //比较节点的key和参数key int cmp = k.compareTo(p.key); //如果节点的key小于参数key if (cmp < 0) //向左遍历 p = p.left; else if (cmp > 0)//如果节点的key大于参数key //向左遍历 p = p.right; else//如果节点的key等于参数key return p; } } return null; } ``` **getCeilingEntry( K key)** ```java /** * 获取TreeMap中大于/等于key的最小的节点,若不存在,就返回null */ final Entry getCeilingEntry(K key) { Entry p = root; while (p != null) { //比较参数key和节点p的key int cmp = compare(key, p.key); // 若节点p的key > 参数key。 // 若 p 存在左孩子,则设 p=p的左孩子;否则,返回p if (cmp < 0) { if (p.left != null) p = p.left; else return p; } else if (cmp > 0) {// 若节点p的key < key if (p.right != null) {//若 p 存在右孩子,则设 p=p的右孩子 p = p.right; } else {//若 p 不存在右孩子,则找出 p 的后继节点,并返回 //这里返回的p的后继节点有2种可能性:第一,null;第二,TreeMap中大于key的最小的节点。 Entry parent = p.parent; Entry ch = p; while (parent != null && ch == parent.right) { ch = parent; parent = parent.parent; } return parent; } } else//若p的key = key。 return p; } return null; } ``` **getFloorEntry( K key)** ```java /** * 获取TreeMap中小于/等于key的最大的节点,若不存在,就返回null */ final Entry getFloorEntry(K key) { Entry p = root; while (p != null) { //比较参数key和节点p的key int cmp = compare(key, p.key); // 若节点p的key < 参数key。 // 若 p 存在右孩子,则设 p=p的右孩子;否则,返回p if (cmp > 0) { if (p.right != null) p = p.right; else return p; } else if (cmp < 0) {// 若节点p的key < key if (p.left != null) {//若 p 存在左孩子,则设 p=p的左孩子 p = p.left; } else {//若 p 不存在左孩子,则找出 p 的后继节点,并返回 //这里返回的p的后继节点有2种可能性:第一,null;第二,TreeMap中小于key的最大的节点。 Entry parent = p.parent; Entry ch = p; while (parent != null && ch == parent.left) { ch = parent; parent = parent.parent; } return parent; } } else//若p的key = key。 return p; } return null; } ``` **getHigherEntry( K key)** ```java /** * 获取TreeMap中大于key的最小的节点,若不存在,返回null */ final Entry getHigherEntry(K key) { Entry p = root; while (p != null) { int cmp = compare(key, p.key); if (cmp < 0) { if (p.left != null) p = p.left; else return p; } else { if (p.right != null) { p = p.right; } else { Entry parent = p.parent; Entry ch = p; while (parent != null && ch == parent.right) { ch = parent; parent = parent.parent; } return parent; } } } return null; } ``` **getLowerEntry( K key)** ```java /** * 获取TreeMap中小于key的最大的节点,若不存在,就返回null */ final Entry getLowerEntry(K key) { Entry p = root; while (p != null) { int cmp = compare(key, p.key); if (cmp > 0) { if (p.right != null) p = p.right; else return p; } else { if (p.left != null) { p = p.left; } else { Entry parent = p.parent; Entry ch = p; while (parent != null && ch == parent.left) { ch = parent; parent = parent.parent; } return parent; } } } return null; } ``` **put( K key, V value)** ```java /** * 将指定参数key和指定参数value插入map中,如果key已经存在,那就替换key对应的value * * @param key 参数key * @param value 参数value * * @return 如果value被替换,则返回旧的value,否则返回null。当然,可能key对应的value就是null。 * @throws ClassCastException 如果指定参数key不能和map中的key比较 * @throws NullPointerException 如果指定参数key为null而且map使用自然排序,或者比较器不允许key为null */ public V put(K key, V value) { Entry t = root; //如果根节点为空 if (t == null) { compare(key, key); // 对key是否为null进行检查type //创建一个根节点,返回null root = new Entry<>(key, value, null); size = 1; modCount++; return null; } //记录比较结果 int cmp; Entry parent; // split comparator and comparable paths Comparator cpr = comparator; //如果comparator不为null if (cpr != null) { //循环查找key要插入的位置 do { //记录上次循环的节点t parent = t; //比较节点t的key和参数key的大小 cmp = cpr.compare(key, t.key); //如果节点t的key > 参数key if (cmp < 0) t = t.left; else if (cmp > 0)//如果节点t的key < 参数key t = t.right; else//如果节点t的key = 参数key,替换value,返回旧value return t.setValue(value); } while (t != null);//t为null,没有要比较的节点,代表已经找到新节点要插入的位置 } else {如果comparator为null,,则使用key作为比较器进行比较,并且key必须实现Comparable接口 //如果key为null,抛出NullPointerException if (key == null) throw new NullPointerException(); @SuppressWarnings("unchecked") Comparable k = (Comparable) key; do {//循环查找key要插入的位置 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); } // 找到新节点的父节点后,创建节点对象 Entry e = new Entry<>(key, value, parent); //如果新节点key的值小于父节点key的值,则插在父节点的左侧 if (cmp < 0) parent.left = e; else//否则插在父节点的左侧 parent.right = e; //插入新的节点后,为了保持红黑树平衡,对红黑树进行调整 fixAfterInsertion(e); size++; modCount++; //这种情况下没有替换旧value,返回努力了 return null; } ``` **remove( Object key)** ```java /** * 如果key在treeMap中存在,删除对应的节点,返回旧value,否则返回null * * @param key 参数key * @return 如果节点被删除,返回节点的value,否则返回null。当然,可能key对应的value就是null * @throws ClassCastException 如果指定参数key为null而且map使用自然排序,或者比较器不允许key为null */ public V remove(Object key) { //获取key对应的节点 Entry p = getEntry(key); //如果节点为null,返回null if (p == null) return null; //记录旧value V oldValue = p.value; //删除节点 deleteEntry(p); //返回旧value return oldValue; } ``` **clear()** ```java /** * * 删除map中所有的键值对 */ public void clear() { modCount++; size = 0; root = null; } ``` **clone()** ```java /** * 浅克隆一个TreeMap对象并返回。 * * @return 浅克隆的TreeMap对象 */ public Object clone() { TreeMap clone; try { clone = (TreeMap) super.clone(); } catch (CloneNotSupportedException e) { throw new InternalError(e); }

    // Put clone into "virgin" state (except for comparator)
    clone.root = null;
    clone.size = 0;
    clone.modCount = 0;
    clone.entrySet = null;
    clone.navigableKeySet = null;
    clone.descendingMap = null;

    // Initialize clone with our mappings
    try {
        clone.buildFromSorted(size, entrySet().iterator(), null, null);
    } catch (java.io.IOException cannotHappen) {
    } catch (ClassNotFoundException cannotHappen) {
    }

    return clone;
}

```

到这里对TreeMap的讲解就结束了。下面最TreeMap作简单的总结

总结

TreeMap与HashMap比较

不同点

不同点 HashMap TreeMap
数据结构 数组+链表+红黑树 红黑树
是否有序
是否实现NavigableMap
是否允许key为null
增删改查操作的时间复杂度 O(1) log(n)

相同点

  • 都以键值对的形式存储数据。
  • 都继承了AbstractMap,实现了Map、Cloneable、Serializable。
  • 都是非同步的。
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