Java集合（十五）TreeSet源码分析和使用示例
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：
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(Collection<? extends E> collection) // 指定TreeSet的比较器 TreeSet(Comparator<? super E> comparator) // 创建的TreeSet包含set TreeSet(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源码解析
package java.util;
public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
// NavigableMap对象
private transient NavigableMap<E,Object> 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<E,Object>());
}
// 将TreeMap赋值给 "NavigableMap对象m"
TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) {
this.m = m;
}
// 带比较器的构造函数。
public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
this(new TreeMap<E,Object>(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(SortedSet<E> 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<E> 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<E> 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(Collection<? extends E> c) {
// Use linear-time version if applicable
if (m.size()==0 && c.size() > 0 &&
c instanceof SortedSet &&
m instanceof TreeMap) {
SortedSet<? extends E> set = (SortedSet<? extends E>) c;
TreeMap<E,Object> map = (TreeMap<E, Object>) 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<E> subSet(E fromElement, boolean fromInclusive,
E toElement, boolean toInclusive) {
return new TreeSet<E>(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<E> headSet(E toElement, boolean inclusive) {
return new TreeSet<E>(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<E> tailSet(E fromElement, boolean inclusive) {
return new TreeSet<E>(m.tailMap(fromElement, inclusive));
}
// 返回子Set。范围是：从fromElement(包括)到toElement(不包括)。
public SortedSet<E> 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<E> 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<E> tailSet(E fromElement) {
return tailSet(fromElement, true);
}
// 返回Set的比较器
public Comparator<? super 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,?> 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,?> e = m.pollLastEntry();
return (e == null)? null : e.getKey();
}
// 克隆一个TreeSet，并返回Object对象
public Object clone() {
TreeSet<E> clone = null;
try {
clone = (TreeSet<E>) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError();
}
clone.m = new TreeMap<E,Object>(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”
Comparator<? super E> c = (Comparator<? super E>) s.readObject();
TreeMap<E,Object> tm;
if (c==null)
tm = new TreeMap<E,Object>();
else
tm = new TreeMap<E,Object>(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3部分 TreeSet遍历方式
3.1 Iterator顺序遍历
for(Iterator iter = set.iterator(); iter.hasNext(); ) {
iter.next();
}
3.2 Iterator反序遍历
// 假设set是TreeSet对象
for(Iterator iter = set.descendingIterator(); iter.hasNext(); ) {
iter.next();
}
3.3 for-each遍历
// 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遍历测试程序如下：
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);
}
}
第4部分 TreeSet示例
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");
}
}