144期考考基础部分，你能说出 TreeMap 原理实现及常用方法吗？

Posted 2021-05-15 凹凹凸凸

目录

TreeMap概述
红黑树回顾
TreeMap构造
put方法
get 方法
remove方法
遍历
总结

一. TreeMap概述

TreeMap存储K-V键值对，通过红黑树（R-B tree）实现；
TreeMap继承了NavigableMap接口，NavigableMap接口继承了SortedMap接口，可支持一系列的导航定位以及导航操作的方法，当然只是提供了接口，需要TreeMap自己去实现；
TreeMap实现了Cloneable接口，可被克隆，实现了Serializable接口，可序列化；
TreeMap因为是通过红黑树实现，红黑树结构天然支持排序，默认情况下通过Key值的自然顺序进行排序；
二. 红黑树回顾

因为TreeMap的存储结构是红黑树，我们回顾一下红黑树的特点以及基本操作，红黑树的原理可参考关于红黑树(R-B tree)原理:
https://www.cnblogs.com/LiaHon/p/11203229.html
下图为典型的红黑树：

红黑树规则特点：
节点分为红色或者黑色；
根节点必为黑色；
叶子节点都为黑色，且为null；
连接红色节点的两个子节点都为黑色（红黑树不会出现相邻的红色节点）；
从任意节点出发，到其每个叶子节点的路径中包含相同数量的黑色节点；
新加入到红黑树的节点为红色节点；
红黑树自平衡基本操作：
变色：在不违反上述红黑树规则特点情况下，将红黑树某个node节点颜色由红变黑，或者由黑变红；
左旋：逆时针旋转两个节点，让一个节点被其右子节点取代，而该节点成为右子节点的左子节点
右旋：顺时针旋转两个节点，让一个节点被其左子节点取代，而该节点成为左子节点的右子节点

三. TreeMap构造

我们先看一下TreeMap中主要的成员变量

上面的主要成员变量根节点root是Entry类的实体，我们来看一下Entry类的源码

Entry静态内部类实现了Map的内部接口Entry，提供了红黑树存储结构的java实现，通过left属性可以建立左子树，通过right属性可以建立右子树，通过parent可以往上找到父节点。
大体的实现结构图如下：

TreeMap构造函数：

四. put方法

put方法为Map的核心方法，TreeMap的put方法大概流程如下：

我们来分析一下源码

put方法源码中通过fixAfterInsertion(e)方法来进行自平衡处理，我们回顾一下插入时自平衡调整的逻辑

源码中通过 rotateLeft 进行【左旋】，通过 rotateRight 进行【右旋】。都非常类似，我们就看一下【左旋】的代码，【左旋】规则如下：“逆时针旋转两个节点，让一个节点被其右子节点取代，而该节点成为右子节点的左子节点”。

就算是看了上面的注释还是并不清晰，看下图你就懂了

五. get 方法

get方法是通过二分查找的思想，我们看一下源码

六. remove方法

remove方法可以分为两个步骤，先是找到这个节点，直接调用了上面介绍的getEntry(Object key)，这个步骤我们就不说了，直接说第二个步骤，找到后的删除操作。

通过deleteEntry(p)进行删除操作，删除操作的原理我们在前面已经讲过
删除的是根节点，则直接将根节点置为null;
待删除节点的左右子节点都为null，删除时将该节点置为null;
待删除节点的左右子节点有一个有值，则用有值的节点替换该节点即可；
待删除节点的左右子节点都不为null，则找前驱或者后继，将前驱或者后继的值复制到该节点中，然后删除前驱或者后继（前驱：左子树中值最大的节点，后继：右子树中值最小的节点）；

操作的操作其实很简单，场景也不多，我们看一下删除后的自平衡操作方法fixAfterDeletion

当待操作节点为左节点时，上面描述了四种场景，而且场景之间可以相互转换，如deleteEntry后进入了场景1，经过场景1的一些列操作后，红黑树的结构并没有调整完成，而是进入了场景2，场景2执行完成后跳出循环，将待操作节点设置为黑色，完成。
我们下面用图来说明一下四种场景帮助理解，当然大家最好自己手动画一下。

七. 遍历

遍历比较简单，TreeMap的遍历可以使用map.values(), map.keySet()，map.entrySet()，map.forEach()，这里不再多说。
八. 总结

本文详细介绍了TreeMap的基本特点，并对其底层数据结构红黑树进行了回顾，同时讲述了其自动排序的原理，并从源码的角度结合红黑树图形对put方法、get方法、remove方法进行了讲解，最后简单提了一下遍历操作，若有不对之处，请批评指正，望共同进步，谢谢！