Java基础之TreeMap详解

TreeMap的底层数据结构是红黑树，且TreeMap可以实现集合元素的排序。

所以TreeMap的源码需要实现：

1.红黑树的数据结构，以及红黑树的节点插入，删除，以及红黑树的自平衡操作，如左旋，右旋，以及节点变色

2.红黑树需要支持按照指定的比较器进行排序，或者进行自然排序。

public class TreeMap<K,V> extends AbstractMap<K,V> implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, java.io.Serializable

public interface NavigableMap<K,V> extends SortedMap<K,V> {

TreeMap

继承了AbstractMap

实现了NavigableMap，而NavigableMap接口继承了SortedMap接口,SortedMap接口表示其实现类是一个有序集合

实现了Cloneable，所以支持对象克隆

实现了Serializable，所以支持对象序列化

comparator

/** * The comparator used to maintain order in this tree map, or * null if it uses the natural ordering of its keys. * * @serial */ private final Comparator<? super K> comparator;

外部指定的比较器。在创建TreeMap对象时可以指定。如果指定了比较器，则TreeMap插入键值对时，按照comparator比较排序。

root

private transient Entry<K,V> root;

root指代TreeMap底层红黑树的根节点。 root的类型Entry<K,V>就是红黑树节点的类型。

红黑树数据结构的实现就依赖于Entry<K,V>

size

/** * The number of entries in the tree */ private transient int size = 0;

表示TreeMap集合中键值对个数。

modCount

/** * The number of structural modifications to the tree. */ private transient int modCount = 0;

表示TreeMap集合被结构化修改的次数。用于迭代器迭代过程中检测集合是否被结构化修改，若是，则fail-fast。

Entry<K,V>

Entry<K,V>是红黑树节点的代码实现，是实现红黑树数据结构的基础。

static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {K key;V value;Entry<K,V> left;Entry<K,V> right;Entry<K,V> parent;boolean color = BLACK; /** * Make a new cell with given key, value, and parent, and with * {@code null} child links, and BLACK color. */Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) { this.key = key; this.value = value; this.parent = parent;} /** * Returns the key. * * @return the key */public K getKey() { return key;} /** * Returns the value associated with the key. * * @return the value associated with the key */public V getValue() { return value;} /** * Replaces the value currently associated with the key with the given * value. * * @return the value associated with the key before this method was * called */public V setValue(V value) { V oldValue = this.value; this.value = value; return oldValue;} public boolean equals(Object o) { if (!(o instanceof Map.Entry))return false; Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o; return valEquals(key,e.getKey()) && valEquals(value,e.getValue());} public int hashCode() { int keyHash = (key==null ? 0 : key.hashCode()); int valueHash = (value==null ? 0 : value.hashCode()); return keyHash ^ valueHash;} public String toString() { return key + '=' + value;} }

成员变量

K key,V value分别是TreeMap集合中存储的键值对的键和值

Entry<K,V> left 代表当前节点的左子节点

Entry<K,V> right 代表当前节点的右子节点

Entry<K,V> parent 代表当前节点的父节点

boolean color 代表当前节点的颜色，默认是黑色，为true

构造器

Entry<K,V>只提供了一个构造器 Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent)

即：创建一个红黑树节点，只需要指定其存储的键值信息，以及其父节点引用。不需要指定左孩子和右孩子，以及颜色。

成员方法

提供了getKey()方法返回当前节点的key值。

提供了getValue()，setValue(V v)分别用于获取Value，以及覆盖Value后返回oldValue

重写了equals()方法用于判断两个红黑树节点是否相同。逻辑是：两个红黑树节点的key要么都为null，要么equals结果true，且，value要么都为null,要么equals结果为true。

重写了hashCode()方法。

重写了toString()方法。

public TreeMap()

public TreeMap() {comparator = null; }

无参构造器，即不指定比较器的构造器。

注意，此时插入集合的键值对的key的类型必须实现Comparable接口，即提供自然排序能力，否则会报错类型转换异常。

public TreeMap(Comparator<? super K> comparator)

public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {this.comparator = comparator; }

指定比较器的构造器。

指定的比较器用于比较key，且comparator指定了泛型，即比较器比较的元素的类型必须是K或者K的父类类型。

public TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m)

public TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {comparator = null;putAll(m); }

将非TreeMap集合转为TreeMap集合构造器

public TreeMap(SortedMap<K, ? extends V> m)

public TreeMap(SortedMap<K, ? extends V> m) {comparator = m.comparator();try { buildFromSorted(m.size(), m.entrySet().iterator(), null, null);} catch (java.io.IOException cannotHappen) {} catch (ClassNotFoundException cannotHappen) {} }

将有序Map集合转为TreeMap集合

public V get(Object key)

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

TreeMap的get方法用于获取指定key的value。如果指定key没有对应的红黑树节点，则返回null，否则返回对应红黑树节点的value。

可以看到get方法实现依赖于getEntry(Object key)方法。

getEntry(Object key)方法是根据指定key找对应的红黑树节点并返回该节点。

final Entry<K,V> getEntry(Object key)

final Entry<K,V> getEntry(Object key) {// Offload comparator-based version for sake of performanceif (comparator != null)//如果外部指定了比较器 return getEntryUsingComparator(key);//则使用指定比较器来查找if (key == null)//如果外部没有指定比较器，且要查找的key为null，则抛出空指针异常 throw new NullPointerException();@SuppressWarnings('unchecked')//此时外部没有指定构造器，且要查的Key不为null Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;//检查Key的类型是否实现了Comparable接口，即是否实现了自然排序，如果实现了，则此处可以强转成功，否则会报错类型转换异常Entry<K,V> p = root;while (p != null) {//从红黑树根节点开始使用key本身的自然排序进行比较 int cmp = k.compareTo(p.key); if (cmp < 0)//如果要查找的key小于树节点的key，则说明要找的key在当前节点的左子树上，则下次遍历从左子树的根节点开始p = p.left; else if (cmp > 0)//如果要查找的key大于树节点的key，则说明要找的key在当前节点的右子树上，则下次遍历从右子树的根节点开始p = p.right; else//如果要查找的key等于树节点的key，则该节点就是要找的，直接返回该节点return p;}return null;//如果上面遍历没有找到对应Key的节点，则返回null } final Entry<K,V> getEntryUsingComparator(Object key) {//使用指定比较器来查找，逻辑基本和自然排序查找一样，只是这里使用了比较器排序查找@SuppressWarnings('unchecked') K k = (K) key;Comparator<? super K> cpr = comparator;if (cpr != null) { Entry<K,V> p = root; while (p != null) {int cmp = cpr.compare(k, p.key);if (cmp < 0) p = p.left;else if (cmp > 0) p = p.right;else return p; }}return null; }

public V put(K key, V value)

public V put(K key, V value) {Entry<K,V> t = root;if (t == null) { compare(key, key); // type (and possibly null) check root = new Entry<>(key, value, null); size = 1; modCount++; return null;}int cmp;Entry<K,V> parent;// split comparator and comparable pathsComparator<? super K> cpr = comparator;if (cpr != null) { do {parent = t;cmp = cpr.compare(key, t.key);if (cmp < 0) t = t.left;else if (cmp > 0) t = t.right;else return t.setValue(value); } while (t != null);}else { if (key == null)throw new NullPointerException(); @SuppressWarnings('unchecked')Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key; do {parent = t;cmp = k.compareTo(t.key);if (cmp < 0) t = t.left;else if (cmp > 0) t = t.right;else return t.setValue(value); } while (t != null);}Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);if (cmp < 0) parent.left = e;else parent.right = e;fixAfterInsertion(e);size++;modCount++;return null; }

final int compare(Object k1, Object k2) {return comparator==null ? ((Comparable<? super K>)k1).compareTo((K)k2) : comparator.compare((K)k1, (K)k2); }

public V setValue(V value) { V oldValue = this.value; this.value = value; return oldValue;}

TreeMap的put方法用于插入一个键值对，

当插入的key在集合中不存在时，则put表示新增键值对，并返回null；

当插入的key在集合中存在时，则put表示覆盖已存在key对应的value，并返回老value。

private void fixAfterInsertion(Entry<K,V> x)

private void fixAfterInsertion(Entry<K,V> x) {//x是被插入的红黑树节点x.color = RED;//默认被插入的节点都是红色 while (x != null && x != root && x.parent.color == RED) {//如果被插入节点不是根节点 if (parentOf(x) == leftOf(parentOf(parentOf(x)))) {Entry<K,V> y = rightOf(parentOf(parentOf(x)));if (colorOf(y) == RED) { setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(y, BLACK); setColor(parentOf(parentOf(x)), RED); x = parentOf(parentOf(x));} else { if (x == rightOf(parentOf(x))) {x = parentOf(x);rotateLeft(x); } setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(parentOf(parentOf(x)), RED); rotateRight(parentOf(parentOf(x)));} } else {Entry<K,V> y = leftOf(parentOf(parentOf(x)));if (colorOf(y) == RED) { setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(y, BLACK); setColor(parentOf(parentOf(x)), RED); x = parentOf(parentOf(x));} else { if (x == leftOf(parentOf(x))) {x = parentOf(x);rotateRight(x); } setColor(parentOf(x), BLACK); setColor(parentOf(parentOf(x)), RED); rotateLeft(parentOf(parentOf(x)));} }}root.color = BLACK;//如果被插入的节点是根节点，则节点颜色改为黑色 }

fixAfterInsertion方法用于：当TreeMap插入红黑树节点后，导致红黑树不平衡时，TreeMap保持自平衡的自旋和变色操作。

该方法的入参就是插入的红黑树节点。

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