荒岛码农

Java 集合系列17之 TreeSet详细介绍(源码解析)和使用示例

概要

这一章，我们对TreeSet进行学习。
我们先对TreeSet有个整体认识，然后再学习它的源码，最后再通过实例来学会使用TreeSet。内容包括：
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

转载请注明出处：http://www.cnblogs.com/skywang12345/admin/EditPosts.aspx?postid=3311268

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, 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collection
TreeSet(Collectionextends E> collection)

// 指定TreeSet的比较器
TreeSet(Comparatorsuper E> comparator)

// 创建的TreeSet包含set
TreeSet(SortedSet set)

TreeSet的API

boolean                   add(E object)
boolean                   addAll(Collectionextends 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()
Comparatorsuper E>     comparator()
Iterator               iterator()
Iterator               descendingIterator()
SortedSet              headSet(E end)
NavigableSet           descendingSet()
NavigableSet           headSet(E end, boolean endInclusive)
SortedSet              subSet(E start, E end)
NavigableSet           subSet(E start, boolean startInclusive, E end, boolean endInclusive)
NavigableSet           tailSet(E start, boolean startInclusive)
SortedSet              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
         ↳     java.util.AbstractSet
               ↳     java.util.TreeSet

public class TreeSet extends AbstractSet        
    implements NavigableSet, 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。

 
      
    
package java.util;

public class TreeSet extends AbstractSet
   implements NavigableSet, Cloneable, java.io.Serializable
{
   // NavigableMap对象
   private transient NavigableMap m;

   // TreeSet是通过TreeMap实现的，
   // PRESENT是键-值对中的值。
   private static final Object PRESENT = new Object();

   // 不带参数的构造函数。创建一个空的TreeMap
   public TreeSet() {
       this(new TreeMap());
   }

   // 将TreeMap赋值给 "NavigableMap对象m"
   TreeSet(NavigableMap m) {
       this.m = m;
   }

   // 带比较器的构造函数。
   public TreeSet(Comparatorsuper E> comparator) {
       this(new TreeMap(comparator));
   }

   // 创建TreeSet，并将集合c中的全部元素都添加到TreeSet中
   public TreeSet(Collectionextends E> c) {
       this();
       // 将集合c中的元素全部添加到TreeSet中
       addAll(c);
   }

   // 创建TreeSet，并将s中的全部元素都添加到TreeSet中
   public TreeSet(SortedSet s) {
       this(s.comparator());
       addAll(s);
   }

   // 返回TreeSet的顺序排列的迭代器。
   // 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
   public Iterator iterator() {
       return m.navigableKeySet().iterator();
   }

   // 返回TreeSet的逆序排列的迭代器。
   // 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
   public Iterator descendingIterator() {
       return m.descendingKeySet().iterator();
   }

   // 返回TreeSet的大小
   public int size() {
       return m.size();
   }

   // 返回TreeSet是否为空
   public boolean isEmpty() {
       return m.isEmpty();
   }

   // 返回TreeSet是否包含对象(o)
   public boolean contains(Object o) {
       return m.containsKey(o);
   }

   // 添加e到TreeSet中
   public boolean add(E e) {
       return m.put(e, PRESENT)==null;
   }

   // 删除TreeSet中的对象o
   public boolean remove(Object o) {
       return m.remove(o)==PRESENT;
   }

   // 清空TreeSet
   public void clear() {
       m.clear();
   }

   // 将集合c中的全部元素添加到TreeSet中
   public  boolean addAll(Collectionextends E> c) {
       // Use linear-time version if applicable
       if (m.size()==0 && c.size() > 0 &&
           c instanceof SortedSet &&
           m instanceof TreeMap) {
           SortedSetextends E> set = (SortedSetextends E>) c;
           TreeMap map = (TreeMap) m;
           Comparatorsuper E> cc = (Comparatorsuper E>) set.comparator();
           Comparatorsuper E> mc = map.comparator();
           if (cc==mc || (cc != null && cc.equals(mc))) {
               map.addAllForTreeSet(set, PRESENT);
               return true;
           }
       }
       return super.addAll(c);
   }

   // 返回子Set，实际上是通过TreeMap的subMap()实现的。
   public NavigableSet subSet(E fromElement, boolean fromInclusive,
                                 E toElement,   boolean toInclusive) {
       return new TreeSet(m.subMap(fromElement, fromInclusive,
                                      toElement,   toInclusive));
   }

   // 返回Set的头部，范围是：从头部到toElement。
   // inclusive是是否包含toElement的标志
   public NavigableSet headSet(E toElement, boolean inclusive) {
       return new TreeSet(m.headMap(toElement, inclusive));
   }

   // 返回Set的尾部，范围是：从fromElement到结尾。
   // inclusive是是否包含fromElement的标志
   public NavigableSet tailSet(E fromElement, boolean inclusive) {
       return new TreeSet(m.tailMap(fromElement, inclusive));
   }

   // 返回子Set。范围是：从fromElement(包括)到toElement(不包括)。
   public SortedSet subSet(E fromElement, E toElement) {
       return subSet(fromElement, true, toElement, false);
   }

   // 返回Set的头部，范围是：从头部到toElement(不包括)。
   public SortedSet headSet(E toElement) {
       return headSet(toElement, false);
   }

   // 返回Set的尾部，范围是：从fromElement到结尾(不包括)。
   public SortedSet tailSet(E fromElement) {
       return tailSet(fromElement, true);
   }

   // 返回Set的比较器
   public Comparatorsuper E> comparator() {
       return m.comparator();
   }

   // 返回Set的第一个元素
   public E first() {
       return m.firstKey();
   }

   // 返回Set的最后一个元素
   public E first() {
   public E last() {
       return m.lastKey();
   }

   // 返回Set中小于e的最大元素
   public E lower(E e) {
       return m.lowerKey(e);
   }

   // 返回Set中小于/等于e的最大元素
   public E floor(E e) {
       return m.floorKey(e);
   }

   // 返回Set中大于/等于e的最小元素
   public E ceiling(E e) {
       return m.ceilingKey(e);
   }

   // 返回Set中大于e的最小元素
   public E higher(E e) {
       return m.higherKey(e);
   }

   // 获取第一个元素，并将该元素从TreeMap中删除。
   public E pollFirst() {
       Map.Entry e = m.pollFirstEntry();
       return (e == null)? null : e.getKey();
   }

   // 获取最后一个元素，并将该元素从TreeMap中删除。
   public E pollLast() {
       Map.Entry e = m.pollLastEntry();
       return (e == null)? null : e.getKey();
   }

   // 克隆一个TreeSet，并返回Object对象
   public Object clone() {
       TreeSet clone = null;
       try {
           clone = (TreeSet) super.clone();
       } catch (CloneNotSupportedException e) {
           throw new InternalError();
       }

       clone.m = new TreeMap(m);
       return clone;
   }

   // java.io.Serializable的写入函数
   // 将TreeSet的“比较器、容量，所有的元素值”都写入到输出流中
   private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
       throws java.io.IOException {
       s.defaultWriteObject();

       // 写入比较器
       s.writeObject(m.comparator());

       // 写入容量
       s.writeInt(m.size());

       // 写入“TreeSet中的每一个元素”
       for (Iterator i=m.keySet().iterator(); i.hasNext(); )
           s.writeObject(i.next());
   }

   // java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式读出
   // 先将TreeSet的“比较器、容量、所有的元素值”依次读出
   private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
       throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
       // Read in any hidden stuff
       s.defaultReadObject();

       // 从输入流中读取TreeSet的“比较器”
       Comparatorsuper E> c = (Comparatorsuper E>) s.readObject();

       TreeMap tm;
       if (c==null)
           tm = new TreeMap();
       else
           tm = new TreeMap(c);
       m = tm;

       // 从输入流中读取TreeSet的“容量”
       int size = s.readInt();

       // 从输入流中读取TreeSet的“全部元素”
       tm.readTreeSet(size, s, PRESENT);
   }

   // TreeSet的序列版本号
   private static final long serialVersionUID = -2479143000061671589L;
} 
      
    

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：

 
      
    
import java.util.*;

/**
* @desc TreeSet的遍历程序
*
* @author skywang
* @email [email protected]
*/
public class TreeSetIteratorTest {

   public static void main(String[] args) {
       TreeSet set = new TreeSet();
       set.add("aaa");
       set.add("aaa");
       set.add("bbb");
       set.add("eee");
       set.add("ddd");
       set.add("ccc");

       // 顺序遍历TreeSet
       ascIteratorThroughIterator(set) ;
       // 逆序遍历TreeSet
       descIteratorThroughIterator(set);
       // 通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组
       foreachTreeSet(set);
   }

   // 顺序遍历TreeSet
   public static void ascIteratorThroughIterator(TreeSet set) {
       System.out.print("\n ---- Ascend Iterator ----\n");
       for(Iterator iter = set.iterator(); iter.hasNext(); ) {
           System.out.printf("asc : %s\n", iter.next());
       }
   }

   // 逆序遍历TreeSet
   public static void descIteratorThroughIterator(TreeSet set) {
       System.out.printf("\n ---- Descend Iterator ----\n");
       for(Iterator iter = set.descendingIterator(); iter.hasNext(); )
           System.out.printf("desc : %s\n", (String)iter.next());
   }

   // 通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组
   private static void foreachTreeSet(TreeSet set) {
       System.out.printf("\n ---- For-each ----\n");
       String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
       for (String str:arr)
           System.out.printf("for each : %s\n", str);
   }
} 
      
    

运行结果：

 ---- Ascend Iterator ----
asc : aaa
asc : bbb
asc : ccc
asc : ddd
asc : eee

 ---- Descend Iterator ----
desc : eee
desc : ddd
desc : ccc
desc : bbb
desc : aaa

 ---- For-each ----
for each : aaa
for each : bbb
for each : ccc
for each : ddd
for each : eee

第5部分 TreeSet示例

下面通过实例学习如何使用TreeSet

 
      
    
import java.util.*;

/**
* @desc TreeSet的API测试
*
* @author skywang
* @email [email protected]
*/
public class TreeSetTest {

   public static void main(String[] args) {
       testTreeSetAPIs();
   }
   
   // 测试TreeSet的api
   public static void testTreeSetAPIs() {
       String val;

       // 新建TreeSet
       TreeSet tSet = new TreeSet();
       // 将元素添加到TreeSet中
       tSet.add("aaa");
       // Set中不允许重复元素，所以只会保存一个“aaa”
       tSet.add("aaa");
       tSet.add("bbb");
       tSet.add("eee");
       tSet.add("ddd");
       tSet.add("ccc");
       System.out.println("TreeSet:"+tSet);

       // 打印TreeSet的实际大小
       System.out.printf("size : %d\n", tSet.size());

       // 导航方法
       // floor(小于、等于)
       System.out.printf("floor bbb: %s\n", tSet.floor("bbb"));
       // lower(小于)
       System.out.printf("lower bbb: %s\n", tSet.lower("bbb"));
       // ceiling(大于、等于)
       System.out.printf("ceiling bbb: %s\n", tSet.ceiling("bbb"));
       System.out.printf("ceiling eee: %s\n", tSet.ceiling("eee"));
       // ceiling(大于)
       System.out.printf("higher bbb: %s\n", tSet.higher("bbb"));
       // subSet()
       System.out.printf("subSet(aaa, true, ccc, true): %s\n", tSet.subSet("aaa", true, "ccc", true));
       System.out.printf("subSet(aaa, true, ccc, false): %s\n", tSet.subSet("aaa", true, "ccc", false));
       System.out.printf("subSet(aaa, false, ccc, true): %s\n", tSet.subSet("aaa", false, "ccc", true));
       System.out.printf("subSet(aaa, false, ccc, false): %s\n", tSet.subSet("aaa", false, "ccc", false));
       // headSet()
       System.out.printf("headSet(ccc, true): %s\n", tSet.headSet("ccc", true));
       System.out.printf("headSet(ccc, false): %s\n", tSet.headSet("ccc", false));
       // tailSet()
       System.out.printf("tailSet(ccc, true): %s\n", tSet.tailSet("ccc", true));
       System.out.printf("tailSet(ccc, false): %s\n", tSet.tailSet("ccc", false));


       // 删除“ccc”
       tSet.remove("ccc");
       // 将Set转换为数组
       String[] arr = (String[])tSet.toArray(new String[0]);
       for (String str:arr)
           System.out.printf("for each : %s\n", str);

       // 打印TreeSet
       System.out.printf("TreeSet:%s\n", tSet);

       // 遍历TreeSet
       for(Iterator iter = tSet.iterator(); iter.hasNext(); ) {
           System.out.printf("iter : %s\n", iter.next());
       }

       // 删除并返回第一个元素
       val = (String)tSet.pollFirst();
       System.out.printf("pollFirst=%s, set=%s\n", val, tSet);

       // 删除并返回最后一个元素
       val = (String)tSet.pollLast();
       System.out.printf("pollLast=%s, set=%s\n", val, tSet);

       // 清空HashSet
       tSet.clear();

       // 输出HashSet是否为空
       System.out.printf("%s\n", tSet.isEmpty()?"set is empty":"set is not empty");
   }
} 
      
    