TreeMap

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一、顶部注释分析

1.1 首句分析

• 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是基于红黑树的 NavigableMap 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哪个构造方法

1.2 从注释中得到的结论

• 底层是红黑树，通过实现 NavigableMap 接口，使得可以根据 key 本身进行排序，或是根据构造时提供的 Comparator 进行排序 ，即 TreeMap 是有序的
• TreeMap 的 key 不能为null
• TreeMap提供时间复杂度为 log(n) 的 containsKey、get、put 、remove操作
• TreeMap同样是非线程安全，其迭代器也是 fail-fast 的

二、源码分析

2.1 定义

public class TreeMap extends AbstractMap
        implements NavigableMap, Cloneable, java.io.Serializable

• TreeMap：TreeMap是以 key-value 形式存储数据的
• extends AbstractMap：继承自AbstractMap
• implements NavigableMap：实现了NavigableMap，可以返回特定条件的最近匹配
• implements Cloneable：可以调用 clone() 方法来返回实例的 field-for-field 拷贝
• implements Serializable：可以序列化

2.2 字段

// TreeMap的排序规则，如果为null，则根据键的自然顺序进行排序
private final Comparator comparator;

// 红黑树根节点
private transient Entry root;

// 红黑树大小
private transient int size = 0;

// 树节点构造，除了左右指针还包括指向父节点的指针，且为红黑树结构
static final class Entry implements Map.Entry 
{
    K key;
    V value;
    Entry left;
    Entry right;
    Entry parent;
    boolean color = BLACK;
}

2.3 构造方法

1. public TreeMap()：使用 key 的自然排序构造一个空的 TreeMap
2. public TreeMap(Comparator comparator)：使用给定的比较器构造一个空的 TreeMap
3. public TreeMap(Map m)：根据给定 Map 来构造 TreeMap，排序方式为key 的自然排序
4. public TreeMap(SortedMap m)：根据给定 SortedMap (可排序的Map) 来构造 TreeMap，且排序方式与 SortedMap 相同

2.4 put 操作

• put 方法共分为以下几个步骤：
  1. 若红黑树为空，且 key 不为空，则新建一棵红黑树；
  2. 根据是否有自定义的 Comparator 方式采用不同的方法遍历红黑树查找 key 所在位置；
  3. 第2步中若没有自定义 Comparator 方式，即根据 key 进行自然排序，则 key 必须实现 Comparable 接口，确保是可比较的；
  4. 如果找到 key 所在位置，则用新值替换原值，并返回原值；
  5. 否则创建新节点插入红黑树，并对树进行调整以保持平衡，最终返回 null

2.5 get 操作

• get 方法共分为以下几个步骤：
  1. 调用 getEntry 查找对应的键值对，若找到则返回 value ，找不到返回 null
  2. 在 getEntry 内部根据是否有自定义 comparator 采用不同方式查找，总体逻辑相似，只是 key 之间的比较方式不同

public V get(Object key) 
{
    Entry p = getEntry(key);
    return (p==null ? null : p.value);
}

final Entry getEntry(Object key) 
{
    // Offload comparator-based version for sake of performance
    if (comparator != null)
        return getEntryUsingComparator(key);
    if (key == null)
        throw new NullPointerException();
    @SuppressWarnings("unchecked")
    Comparable k = (Comparable) key;
    Entry p = root;
    while (p != null) 
    {
        int cmp = k.compareTo(p.key);
        if (cmp < 0)
            p = p.left;
        else if (cmp > 0)
            p = p.right;
        else
            return p;
    }
    return null;
}

2.6 remove 操作

• remove 方法共分为以下几个步骤：
  1. 先和 get 方法类似尝试获取对应键值对
  2. 若找不到则直接返回 null
  3. 若找到了则先保存对应的值，然后调用 deleteEntry(p) 删除该节点并调整红黑树
  4. 最后返回保存的值

public V remove(Object key) 
{
    Entry p = getEntry(key);
    if (p == null)
        return null;

    V oldValue = p.value;
    deleteEntry(p);
    return oldValue;
}

2.7 entrySet

• TreeMap 遍历是使用的是 EntryIterator 这个内部类
• EntryIterator 大多数的实现均在其父类 PrivateEntryIterator 中
• PrivateEntryIterator 中的 lastReturned 用于存放返回的节点，在调用 nextEntry 方法获取下一个节点的过程中，使用了 successor 方法
• 该方法是从树结构中按顺序获取下一个节点。由于红黑树是有序的二叉树，因此可以采取类似中序遍历的方式，剑指Offer上有类似的题目
• 大致思路为：
  1. 若当前节点的右子树不为空，则返回右子树中最小节点，即右子树的最左节点；
  2. 如果右子树为空，则不断向上回溯，直至当前节点是其父节点的左孩子

class EntrySet extends AbstractSet> 
{
    public Iterator> iterator() 
    {
        return new EntryIterator(getFirstEntry());
    }
}

final class EntryIterator extends PrivateEntryIterator> 


abstract class PrivateEntryIterator implements Iterator
{
    Entry lastReturned;
    
    final Entry nextEntry() 
    {
        Entry e = next;
        if (e == null)
            throw new NoSuchElementException();
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        next = successor(e);
        lastReturned = e;
        return e;
    }
}

// 按顺序获取树结构中的下一个节点，顺序类似于中序遍历
static  TreeMap.Entry successor(Entry t) 
{
    if (t == null)
        return null;
    else if (t.right != null) 
    {
        Entry p = t.right;
        while (p.left != null)
            p = p.left;
        return p;
    } 
    else 
    {
        Entry p = t.parent;
        Entry ch = t;
        while (p != null && ch == p.right) 
        {
            ch = p;
            p = p.parent;
        }
        return p;
    }
}

三、与HashMap对比

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