java treeset原理_Java提高十七：TreeSet 深入分析

前一篇我们分析了TreeMap，接下来我们分析TreeSet，比较有意思的地方是，似乎有Map和Set的地方，Set几乎都成了Map的一个马甲。此话怎讲呢?在前面一篇讨论HashMap和HashSet的详细实现讨论里，我们发现HashSet的详细实现都是通过封装了一个HashMap的成员变量来实现的。这里，TreeSet也不例外。我们先看部分代码，里面声明了成员变量：

private transient NavigableMap m;

这里NavigableMap本身是TreeMap所实现的一个接口。我们再看下面和构造函数相关的实现：

TreeSet(NavigableMapm) {this.m =m;

}public TreeSet() { //无参数构造函数

this(new TreeMap());

}public TreeSet(Comparator super E> comparator) { //包含比较器的构造函数

this(new TreeMap<>(comparator));

}public TreeSet(Collection extends E>c) {this();

addAll(c);

}public TreeSet(SortedSets) {this(s.comparator());

addAll(s);

}public boolean addAll(Collection extends E>c) {//Use linear-time version if applicable

if (m.size()==0 && c.size() > 0 &&cinstanceof SortedSet &&minstanceofTreeMap) {

SortedSet extends E> set = (SortedSet extends E>) c;

TreeMap map = (TreeMap) m;

Comparator super E> cc = (Comparator super E>) set.comparator();

Comparator super E> mc =map.comparator();if (cc==mc || (cc != null &&cc.equals(mc))) {

map.addAllForTreeSet(set, PRESENT);return true;

}

}return super.addAll(c);

}

这里构造函数相关部分的代码看起来比较多，实际上主要的构造函数就两个，一个是默认的无参数构造函数和一个比较器构造函数，他们内部的实现都是使用的TreeMap，而其他相关的构造函数都是通过调用这两个来实现的，故其底层使用的就是TreeMap。既然TreeSet只是TreeMap的一个马甲，因此只要掌握了前面一篇的TreeMap原理，那么TreeSet还是比较容易懂的，因此本文不会详细去介绍TreeMap中已介绍的内容。好了，言归正传，下面开始TreeSet的学习。

一、TreeSet简单介绍

TreeSet是JAVA中集合的一种，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。一种基于TreeMap的NavigableSet实现。

因为TreeSet继承了AbstractSet抽象类，所以它是一个set集合，可以被实例化，且具有set的属性和方法。

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的性能比HashSet差但是我们在需要排序的时候可以用TreeSet因为他是自然排序也就是升序下面是TreeSet实现代码这个类也似只能通过迭代器迭代元素

ps：TreeSet是有序的Set集合，因此支持add、remove、get等方法。

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"。

二、TreeSet的构造方法和API

序号构造函数的说明

1

TreeSet ()

此构造函数构造空树集，将在根据其元素的自然顺序按升序排序。

2

TreeSet (集合 c)

此构造函数生成树的集合，它包含的元素的集合 c。

3

TreeSet (比较器 comp)

此构造函数构造一个空树集，将根据给定的比较器进行排序。

4

TreeSet (SortedSet ss)

此构造函数生成包含给定 SortedSet 的元素 TreeSet

TreeSet的方法：

修饰符和类型方法和描述

boolean

add(E e)

将指定的元素添加到这套，如果它已不存在。

boolean

addAll(Collection extends E> c)

在加入这一组指定的集合中添加的所有元素。

E

ceiling(E e)

返回最小的元素在这一组大于或等于给定的元素，则null如果没有这样的元素。

void

clear()

从这一组中移除所有元素。

Object

clone()

返回此TreeSet实例浅表副本。

Comparator super E>

comparator()

返回用于排序在这集，或空元素，如果这套使用自然排序其元素的比较。

boolean

contains(Object o)

如果此集合包含指定的元素，则返回true 。

Iterator

descendingIterator()

返回迭代器中这套降序排序的元素。

NavigableSet

descendingSet()

返回逆序视图中包含的元素这一套。

E

first()

返回第一个 (最低) 元素当前在这一套。

E

floor(E e)

返回的最大元素在这一组小于或等于null如果没有这样的元素。

SortedSet

headSet(E toElement)

返回其元素是严格小于toElement这套的部分视图.

NavigableSet

headSet(E toElement, boolean inclusive)

返回一个视图的这部分设置的元素都小于 (或等于，如果inclusive是真的) toElement.

E

higher(E e)

返回最小的元素在这套严格大于给定的元素，则null如果没有这样的元素。

boolean

isEmpty()

如果此集不包含任何元素，则返回true 。

Iterator

iterator()

返回迭代器中这套以升序排序的元素。

E

last()

在这套目前返回的最后一个 (最高) 的元素。

E

lower(E e)

在这一套严格的小于给定的元素，则null返回的最大元素，如果没有这样的元素。

E

pollFirst()

检索和删除第一个 (最低) 元素，或如果此集合为空，则返回null 。

E

pollLast()

检索和删除的最后一个 (最高) 的元素，或如果此集合为空，则返回null 。

boolean

remove(Object o)

从这一组中移除指定的元素，如果它存在。

int

size()

在这套 (其基数) 中返回的元素的数目。

NavigableSet

subSet(E fromElement, boolean fromInclusive, E toElement, boolean toInclusive)

返回此集的部分视图的元素范围从fromElement到toElement.

SortedSet

subSet(E fromElement, E toElement)

返回视图的部分的这一套的元素范围从fromElement，具有包容性，到toElement，独家。

SortedSet

tailSet(E fromElement)

返回其元素是大于或等于fromElement这套的部分视图.

NavigableSet

tailSet(E fromElement, boolean inclusive)

返回其元素是大于 (或等于，如果inclusive是真的) 这套的部分视图fromElement.

三、TreeSet主要方法分析

1、add：将指定的元素添加到此 set(如果该元素尚未存在于 set 中)。

public booleanadd(E e) {return m.put(e, PRESENT)==null;

}

2、addAll：将指定 collection 中的所有元素添加到此 set 中。

public boolean addAll(Collection extends E>c) {//Use linear-time version if applicable

if (m.size()==0 && c.size() > 0 &&cinstanceof SortedSet &&minstanceofTreeMap) {

SortedSet extends E> set = (SortedSet extends E>) c;

TreeMap map = (TreeMap) m;

Comparator super E> cc = (Comparator super E>) set.comparator();

Comparator super E> mc =map.comparator();if (cc==mc || (cc != null &&cc.equals(mc))) {

map.addAllForTreeSet(set, PRESENT);return true;

}

}return super.addAll(c);

}

3、ceiling：返回此 set 中大于等于给定元素的最小元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。

publicE ceiling(E e) {returnm.ceilingKey(e);

}

4、clear：移除此 set 中的所有元素。

public voidclear() {

m.clear();

}

5、clone：返回 TreeSet 实例的浅表副本。属于浅拷贝。

publicObject clone() {

TreeSet clone = null;try{

clone= (TreeSet) super.clone();

}catch(CloneNotSupportedException e) {throw newInternalError();

}

clone.m= new TreeMap<>(m);returnclone;

}

6、comparator：返回对此 set 中的元素进行排序的比较器；如果此 set 使用其元素的自然顺序，则返回 null。

public Comparator super E>comparator() {returnm.comparator();

}

7、contains：如果此 set 包含指定的元素，则返回 true。

public booleancontains(Object o) {returnm.containsKey(o);

}

8、descendingIterator：返回在此 set 元素上按降序进行迭代的迭代器。

public IteratordescendingIterator() {returnm.descendingKeySet().iterator();

}

9、descendingSet：返回此 set 中所包含元素的逆序视图。

public NavigableSetdescendingSet() {return new TreeSet<>(m.descendingMap());

}

10、first：返回此 set 中当前第一个(最低)元素。

publicE first() {returnm.firstKey();

}

剩下的不一一分析，都比较简单。

四、TreeSet遍历方式

Iterator顺序遍历

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

iter.next();

}

//假设set是TreeSet对象

for(Iterator iter =set.descendingIterator(); iter.hasNext(); ) {

iter.next();

}

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！

测试：

1 import java.util.*;2

3 public classTreeSetIteratorTest {4

5 public static voidmain(String[] args) {6 TreeSet set = newTreeSet();7 set.add("aaa");8 set.add("aaa");9 set.add("bbb");10 set.add("eee");11 set.add("ddd");12 set.add("ccc");13

14 //顺序遍历TreeSet

15 ascIteratorThroughIterator(set) ;16 //逆序遍历TreeSet

17 descIteratorThroughIterator(set);18 //通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组

19 foreachTreeSet(set);20 }21

22 //顺序遍历TreeSet

23 public static voidascIteratorThroughIterator(TreeSet set) {24 System.out.print("\n ---- Ascend Iterator ----\n");25 for(Iterator iter =set.iterator(); iter.hasNext(); ) {26 System.out.printf("asc : %s\n", iter.next());27 }28 }29

30 //逆序遍历TreeSet

31 public static voiddescIteratorThroughIterator(TreeSet set) {32 System.out.printf("\n ---- Descend Iterator ----\n");33 for(Iterator iter =set.descendingIterator(); iter.hasNext(); )34 System.out.printf("desc : %s\n", (String)iter.next());35 }36

37 //通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组

38 private static voidforeachTreeSet(TreeSet set) {39 System.out.printf("\n ---- For-each ----\n");40 String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);41 for(String str:arr)42 System.out.printf("for each : %s\n", str);43 }44 }

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 ----

foreach : aaaforeach : bbbforeach : cccforeach : dddfor each : eee

五、综合对比

TreeSet和TreeMap

相同点：

TreeMap和TreeSet都是有序的集合。

TreeMap和TreeSet都是非同步集合，因此他们不能在多线程之间共享，不过可以使用方法Collections.synchroinzedMap()来实现同步。

运行速度都要比Hash集合慢，他们内部对元素的操作时间复杂度为O(logN)，而HashMap/HashSet则为O(1)。

不同点：

最主要的区别就是TreeSet和TreeMap非别实现Set和Map接口

TreeSet只存储一个对象，而TreeMap存储两个对象Key和Value(仅仅key对象有序)

TreeSet中不能有重复对象，而TreeMap中可以存在。

TreeSet和HashSet

相同点：

都是唯一不重复的Set集合。

不同点：

底层来说，HashSet是用Hash表来存储数据，而TreeSet是用二叉平衡树来存储数据。 功能上来说，由于TreeSet是有序的Set，可以使用SortedSet。接口的first()、last()等方法。但由于要排序，势必要影响速度。所以，如果不需要顺序的话，还是使用HashSet吧，使用Hash表存储数据的HashSet在速度上更胜一筹。如果需要顺序则TreeSet更为明智。

底层来说，HashSet是用Hash表来存储数据，而TreeSet是用二叉平衡树来存储数据。

总结：

1、不能有重复的元素；

2、具有排序功能；

3、TreeSet中的元素必须实现Comparable接口并重写compareTo()方法，TreeSet判断元素是否重复 、以及确定元素的顺序 靠的都是这个方法；

①对于java类库中定义的类，TreeSet可以直接对其进行存储，如String，Integer等,因为这些类已经实现了Comparable接口);

②对于自定义类，如果不做适当的处理，TreeSet中只能存储一个该类型的对象实例，否则无法判断是否重复。

4、依赖TreeMap。

5、相对HashSet,TreeSet的优势是有序，劣势是相对读取慢。根据不同的场景选择不同的集合。

整体源码(1.6)：

packagejava.util;public class TreeSet extends AbstractSet

implements NavigableSet, Cloneable, java.io.Serializable

{//NavigableMap对象

private transient NavigableMapm;//TreeSet是通过TreeMap实现的，//PRESENT是键-值对中的值。

private static final Object PRESENT = newObject();//不带参数的构造函数。创建一个空的TreeMap

publicTreeSet() {this(new TreeMap());

}//将TreeMap赋值给 "NavigableMap对象m"

TreeSet(NavigableMapm) {this.m =m;

}//带比较器的构造函数。

public TreeSet(Comparator super 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(Collection extends 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(SortedSets) {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 Iteratoriterator() {returnm.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 IteratordescendingIterator() {returnm.descendingKeySet().iterator();

}//返回TreeSet的大小

public intsize() {returnm.size();

}//返回TreeSet是否为空

public booleanisEmpty() {returnm.isEmpty();

}//返回TreeSet是否包含对象(o)

public booleancontains(Object o) {returnm.containsKey(o);

}//添加e到TreeSet中

public booleanadd(E e) {return m.put(e, PRESENT)==null;

}//删除TreeSet中的对象o

public booleanremove(Object o) {return m.remove(o)==PRESENT;

}//清空TreeSet

public voidclear() {

m.clear();

}//将集合c中的全部元素添加到TreeSet中

public boolean addAll(Collection extends E>c) {//Use linear-time version if applicable

if (m.size()==0 && c.size() > 0 &&cinstanceof SortedSet &&minstanceofTreeMap) {

SortedSet extends E> set = (SortedSet extends E>) c;

TreeMap map = (TreeMap) m;

Comparator super E> cc = (Comparator super E>) set.comparator();

Comparator super 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, booleanfromInclusive,

E toElement,booleantoInclusive) {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, booleaninclusive) {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, booleaninclusive) {return new TreeSet(m.tailMap(fromElement, inclusive));

}//返回子Set。范围是：从fromElement(包括)到toElement(不包括)。

public SortedSetsubSet(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 SortedSetheadSet(E toElement) {return headSet(toElement, false);

}//返回Set的尾部，范围是：从fromElement到结尾(不包括)。

public SortedSettailSet(E fromElement) {return tailSet(fromElement, true);

}//返回Set的比较器

public Comparator super E>comparator() {returnm.comparator();

}//返回Set的第一个元素

publicE first() {returnm.firstKey();

}//返回Set的最后一个元素

publicE first() {publicE last() {returnm.lastKey();

}//返回Set中小于e的最大元素

publicE lower(E e) {returnm.lowerKey(e);

}//返回Set中小于/等于e的最大元素

publicE floor(E e) {returnm.floorKey(e);

}//返回Set中大于/等于e的最小元素

publicE ceiling(E e) {returnm.ceilingKey(e);

}//返回Set中大于e的最小元素

publicE higher(E e) {returnm.higherKey(e);

}//获取第一个元素，并将该元素从TreeMap中删除。

publicE 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。

publicE pollLast() {

Map.Entry e =m.pollLastEntry();return (e == null)? null: e.getKey();

}//克隆一个TreeSet，并返回Object对象

publicObject clone() {

TreeSet clone = null;try{

clone= (TreeSet) super.clone();

}catch(CloneNotSupportedException e) {throw newInternalError();

}

clone.m= new TreeMap(m);returnclone;

}//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 voidwriteObject(java.io.ObjectOutputStream s)throwsjava.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 voidreadObject(java.io.ObjectInputStream s)throwsjava.io.IOException, ClassNotFoundException {//Read in any hidden stuff

s.defaultReadObject();//从输入流中读取TreeSet的“比较器”

Comparator super E> c = (Comparator super E>) s.readObject();

TreeMaptm;if (c==null)

tm= new TreeMap();elsetm= 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;

}