Java集合 --- TreeSet底层实现和原理（源码解析）

概述

文章的内容基于JDK1.7进行分析，之所以选用这个版本，是因为1.8的有些类做了改动，增加了阅读的难度，虽然是1.7，但是对于1.8做了重大改动的内容，文章也会进行说明。

TreeSet实现了SortedSet接口，它是一个有序的集合类，TreeSet的底层是通过TreeMap实现的。TreeSet并不是根据插入的顺序来排序，而是根据实际的值的大小来排序。TreeSet也支持两种排序方式：

• 自然排序
• 自定义排序

数据结构

继承关系

java.lang.Object 
    java.util.AbstractCollection<E> 
        java.util.AbstractSet<E> 
            java.util.TreeSet<E> 

实现接口

Serializable, Cloneable, Iterable<E>, Collection<E>, NavigableSet<E>, Set<E>, SortedSet<E> 

基本属性

private transient NavigableMap<E,Object> m;  //存放元素的集合
private static final Object PRESENT = new Object();  //m中key 对应的value 

重要方法深度解析

构造方法

//相同包下可以访问的构造方法，将指定的m赋值为m 
TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) {
    this.m = m;
}
//无参构造方法，创建一个空的TreeMap对象，并调用上面的构造方法
public TreeSet() {
    this(new TreeMap<E,Object>());
}
//指定比较器，并用指定的比较器创建TreeMap对象
public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
    this(new TreeMap<>(comparator));
}
//将指定的集合C转化为TreeSet
public TreeSet(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}
//将SortedMap中的元素转化为TreeMap对象
public TreeSet(SortedSet<E> s) {
    this(s.comparator());
    addAll(s);
}

通过上面的构造方法，可以看出TreeSet的底层是用TreeMap实现的。在构造方法中会创建一个TreeMap实例，用于存放元素，另外TreeSet是有序的，也提供了制定比较器的构造函数，如果没有提供比较器，则采用key的自然顺序进行比较大小，如果指定的比较器，则采用指定的比较器，进行key值大小的比较。

add()方法和remove()方法都比较的简单都是调用TreeMap的方法进行实现。此处不在单独列出

源码解析

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    //存放元素的map对象
    private transient NavigableMap<E,Object> m;

    //key-value ,不同的键都会对象相同的value, value = PRESENT
    private static final Object PRESENT = new Object();

    //指定的map对象
    TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) {
        this.m = m;
    }

    //无参构造方法，初始化一个TreeMap对象
    public TreeSet() {
        this(new TreeMap<E,Object>());
    }

    //构造方法，指定比较器
    public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
        this(new TreeMap<>(comparator));
    }

    //将集合中的元素转化为TreeSet存储
    public TreeSet(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }

    //构造方法，SortedSet转化为TreeSet存储，并使用SortedSet的比较器
    public TreeSet(SortedSet<E> s) {
        this(s.comparator());
        addAll(s);
    }

    //遍历方法，返回m.keyset集合
    public Iterator<E> iterator() {
        return m.navigableKeySet().iterator();
    }

    //逆序排序的迭代器
    public Iterator<E> descendingIterator() {
        return m.descendingKeySet().iterator();
    }

    /**
     * @since 1.6
     */
    public NavigableSet<E> descendingSet() {
        return new TreeSet<>(m.descendingMap());
    }

    //返回 m 包含的键值对的数量
    public int size() {
        return m.size();
    }

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

    //是否包含指定的key
    public boolean contains(Object o) {
        return m.containsKey(o);
    }

    //添加元素，调用m.put方法实现
    public boolean add(E e) {
        return m.put(e, PRESENT)==null;
    }

    //删除方法，调用m.remove()方法实现
    public boolean remove(Object o) {
        return m.remove(o)==PRESENT;
    }

    //清除集合
    public void clear() {
        m.clear();
    }

    //将一个集合中的所有元素添加到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);
    }

    //返回子集合，通过 m.subMap()方法实现
    public NavigableSet<E> subSet(E fromElement, boolean fromInclusive,
                                  E toElement,   boolean toInclusive) {
        return new TreeSet<>(m.subMap(fromElement, fromInclusive,
                                       toElement,   toInclusive));
    }

    //返回set的头部
    public NavigableSet<E> headSet(E toElement, boolean inclusive) {
        return new TreeSet<>(m.headMap(toElement, inclusive));
    }

    //返回尾部
    public NavigableSet<E> tailSet(E fromElement, boolean inclusive) {
        return new TreeSet<>(m.tailMap(fromElement, inclusive));
    }

    //返回子Set
    public SortedSet<E> subSet(E fromElement, E toElement) {
        return subSet(fromElement, true, toElement, false);
    }

    //返回set的头部
    public SortedSet<E> headSet(E toElement) {
        return headSet(toElement, false);
    }

    //返回set的尾部
    public SortedSet<E> tailSet(E fromElement) {
        return tailSet(fromElement, true);
    }
    //返回m使用的比较器
    public Comparator<? super E> comparator() {
        return m.comparator();
    }

    //返回第一个元素
    public E first() {
        return m.firstKey();
    }
    //返回最后一个元素
    public E last() {
        return m.lastKey();
    }

    //返回set中小于e的最大的元素
    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的最大元素
    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TreeSet中第一个元素，并从Set中删除该元素
    public E pollFirst() {
        Map.Entry<E,?> e = m.pollFirstEntry();
        return (e == null) ? null : e.getKey();
    }

    //获取TreeSet中最后一个元素，并从Set中删除该元素
    public E pollLast() {
        Map.Entry<E,?> e = m.pollLastEntry();
        return (e == null) ? null : e.getKey();
    }

    //克隆方法
    public Object clone() {
        TreeSet<E> clone = null;
        try {
            clone = (TreeSet<E>) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new InternalError();
        }

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

    //将对象写入到输出流中。
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        // Write out any hidden stuff
        s.defaultWriteObject();

        // Write out Comparator
        s.writeObject(m.comparator());

        // Write out size
        s.writeInt(m.size());

        // Write out all elements in the proper order.
        for (E e : m.keySet())
            s.writeObject(e);
    }

    //从输入流中读取对象的信息
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        // Read in any hidden stuff
        s.defaultReadObject();

        // Read in Comparator
        Comparator<? super E> c = (Comparator<? super E>) s.readObject();

        // Create backing TreeMap
        TreeMap<E,Object> tm;
        if (c==null)
            tm = new TreeMap<>();
        else
            tm = new TreeMap<>(c);
        m = tm;

        // Read in size
        int size = s.readInt();

        tm.readTreeSet(size, s, PRESENT);
    }
    //序列化版本号
    private static final long serialVersionUID = -2479143000061671589L;
}

总结

TreeSet是一个有序的集合，基于TreeMap实现，支持两种排序方式：自然排序和定制排序。
TreeSet是非同步的，线程不安全的。

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少年听雨歌楼上，红烛昏罗帐。  
壮年听雨客舟中，江阔云低，断雁叫西风。
感谢支持！
                                        ---起个名忒难

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