源码分析TreeMap和TreeSet

Posted 2021-06-16 IT技术栈

对于HashMap和HashSet大家可能用的多一点，本文将通过源码对TreeMap和TreeSet的底层原理和数据结构进行分析，并拿TreeMap和HashMap进行比较，TreeSet和HashSet进行比较，分析他们各自的使用场景。

TreeMap

TreeMap是Map的一种，说到Map可能我们用的最多的就是HashMap，那TreeMap和HashMap又有什么不同的地方呢？

我们先对比一下TreeMap和HashMap的类关系图。

HashMap

TreeMap

从上面2张图可以看出，TreeMap比HashMap多实现了一个NavigableMap接口，NavigableMap是实现了SortedMap的接口。

SortedMap接口定义了一个返回Comparator的方法，这是用来比较大小和排序用的。

Comparator comparator();

NavigableMap定义了一些遍历访问Map数据的方法。部分方法罗列如下：

//用于返回比指定key小的最大key对应的键值对//TreeMap的数据是按key进行比较和排序的，返回比传入key小的下一个key对应的键值对Map.EntrylowerEntry(K key);
//返回比指定key小或等于与该key的键值对Map.EntryfloorEntry(K key);
//返回比指定key大或等于该key的减值对Map.EntryceilingEntry(K key);
//与lowerEntry方法相反，返回比指定key大的最小键值对Map.EntryhigherEntry(K key);

到此，我们可以知道TreeMap是一个有序的Map，且具备查找某个数据的上一个、下一个数据等功能的Map。

那TreeMap类内部自身又是怎么实现的？

我们通过源码来解析：

要想了解集合类的源码，作者的经验是要先看添加方法，这里我们就先看看它的put方法。

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 paths Comparator<? 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;}

可以看出，数据是存储在Entry类型的数据结构中，且这个Entry的实例有left、right属性。

通过查看Entry的源码，发现它还有下面几个属性：

Entry left;Entry right;Entry parent;boolean color = BLACK;

通过上面几个属性，再加上对该数据结构的插入操作可以看出TreeMap的底层是红黑树的数据结构。

那我们再总结一下，TreeMap是一个有序的Map，底层数据结构是红黑树，提供了各种遍历访问的方法（包括取上一个、下一个数据的方法）。

那TreeMap相较HashMap又有什么不一样呢？什么时候选HashMap，又什么时候选TreeMap？

关于HashMap的和以及代码分析在之前的文章已经有介绍过，这里就不再细说。

首先，TreeMap比HashMap多了一个有序的功能，所以如果我们需要根据key进行排序的时候，可以选择TreeMap。

另一方面，HashMap从jdk1.8开始存在两种形态的数据结构，即数组+链表，数组+红黑树。而TreeMap只是红黑树的数据结构。当数据量很大的时候TreeMap树的层数会比HashMap多，因为HashMap是树的数组，有多个树结构。作者测试了10万条的数据遍历10万下逐个调用get方法查询，发现HashMap会比TreeMap快一点，但是相差也不大，大概二三十毫秒。

TreeSet

TreeSet是Set的一种，同样，这里我们也拿TreeSet和HashSet进行对比。

先看看这两个类的关系图：

HashSet

TreeSet

可以看出TreeSet比HashSet多实现了一个NavigableSet接口，NavigableSet是继承了SortedSet的接口。这里和上面的TreeMap与HashMap的比对结果差不多。

正如大家所想，TreeSet相较HashSet也是多出排序功能，然后提供对应的遍历访问接口。

那TreeSet的数据结构又是怎样的？

我们通过源码来看：

private transient NavigableMapm;
TreeSet(NavigableMap<< span="">E,Object> m) { this.m = m;}
public TreeSet() { this(new TreeMap<< span="">E,Object>());}
public boolean add(E e) {
 return m.put(e, PRESENT)==null;
}

这里发现很神奇的地方，TreeSet居然是通过TreeMap来存储数据的。

没错，虽然TreeSet是单个数据的集合，而TreeMap是键值对类型的数据。TreeSet只需要对value值填一个无意义的对象即可，遍历时只返回key值。

实际HashSet是也是通过HashMap来存储数据的。

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