Java常用数据结构之Set之TreeSet

前言

上篇文章我们分析了HashSet，它是基于HashMap实现的，那TreeSet会是怎么实现的呢？没错！和大家想的一样，它是基于TreeMap实现的。所以，TreeSet的源码也很简单，主要还是理解TreeMap。

TreeSet的继承关系

按照惯例，先来看TreeSet类的继承关系：

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable

1. 毫不意外的继承了抽象类AbstracSet，方便扩展；
2. 实现了一个NavigableSet接口，和NavigableMap接口类似，提供了各种导航方法；
3. 实现了Cloneable接口，可以克隆；
4. 实现了Serializable接口，可以序列化；

这里主要看NavigableSet接口类：

public interface NavigableSet<E> extends SortedSet<E>

熟悉的味道，继承SortedSet接口。SortedSet则提供了一个返回比较器的方法：

Comparator<? super E> comparator();

和SortedMap一样，支持自然排序和自定义排序。自然排序要求添加到Set中的元素实现Comparable接口，自定义排序要求实现一个Comparator比较器。

源码分析

关键点

关键点自然是TreeSet如何保证元素不重复以及元素有序的，前面说了它是基于TreeMap实现的，那我们来看看吧。

private transient NavigableMap<E,Object> m; // 保证有序

// Dummy value to associate with an Object in the backing Map
private static final Object PRESENT = new Object(); // 固定Value

纵观TreeSet源码，发现只有这两个属性（还有个uid，这里就不算了）。很明显，m是用来保存元素的，但m声明的是NavigableMap而不是TreeMap。可以猜测，TreeMap应该是在构造方法里实例化的，这里使用NavigableMap可以让TreeSet更加灵活。PRESENT和HashSet中的PRESENT作用一样，作为固定Value值进行占位的。
再看add和remove方法：

public boolean add(E e) {
        return m.put(e, PRESENT)==null;
    }
    
public boolean remove(Object o) {
        return m.remove(o)==PRESENT;
    }

和HashSet的实现一样，也是利用了Map保存的Key-Value键值对的Key不会重复的特点。

构造函数

果然，TreeSet中的TreeMap是在构造函数中初始化的。

public TreeSet() {
        this(new TreeMap<>()); // 默认自然排序的TreeMap
    }

public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
        this(new TreeMap<>(comparator)); // 自定义比较器的TreeMap
    }
    
public TreeSet(Collection<? extends E> c) {
        this(); // 还是用的默认
        addAll(c); // 将元素一个一个添加到TreeMap中
    }
 
 public TreeSet(SortedSet<E> s) {
        this(s.comparator()); // 使用传入的SortedSet的比较器
        addAll(s); // 一个一个添加元素
    }   

默认实例化了一个自然排序的TreeMap，当然，我们可以自定义比较器。
这里跟踪下addAll方法：

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; // 强转成TreeMap
            Comparator<?> cc = set.comparator();
            Comparator<? super E> mc = map.comparator();
            if (cc==mc || (cc != null && cc.equals(mc))) { // 要保证set和map的比较器一样
                map.addAllForTreeSet(set, PRESENT); // TreeMap专门为TreeSet准备的方法
                return true;
            }
        }
        return super.addAll(c);
    }

调用了TreeMap的addAllForTreeSet方法：

void addAllForTreeSet(SortedSet<? extends K> set, V defaultVal) {
        try {
            buildFromSorted(set.size(), set.iterator(), null, defaultVal);
        } catch (java.io.IOException | ClassNotFoundException cannotHappen) {
        }
    }

看到buildFromSorted，应该很熟悉，在TreeMap的文章中分析过。该方法将传入的集合元素构造成了一棵最底层的结点为红色，而其他结点都是黑色的红黑树。

导航方法

既然实现了NavigableSet，那各种导航方法自然少不了。它们的实现也很简单，直接调用m对应的导航方法即可。例如：

public E first() {
        return m.firstKey(); // 返回第一个元素
    }
    
public E lower(E e) {
        return m.lowerKey(e); // 返回小于e的第一个元素
    }
    
public NavigableSet<E> headSet(E toElement, boolean inclusive) {
        return new TreeSet<>(m.headMap(toElement, inclusive)); // 取前几个元素构成子集
    }
    
public E pollFirst() { // 弹出第一个元素
        Map.Entry<E,?> e = m.pollFirstEntry();
        return (e == null) ? null : e.getKey();
    }

public NavigableSet<E> descendingSet() { // 倒排Set
        return new TreeSet<>(m.descendingMap());
    }

......

这里需要注意的是返回子集合的方法，例如：headSet。返回的子集合是可以添加和删除元素的，但是有边界限制，举个栗子。

        // 前面构造了一个存储Int的Set
        // 3、5、7、9
        SortedSet<Integer> subSet = intSet.headSet(8); // 最大值7，超过7越界
        for (Integer sub : subSet) {
            System.out.println(sub);
        }

        subSet.add(2);
//        subSet.add(8); // 越界了
        subSet.remove(3);
        for (Integer sub : subSet) {
            System.out.println(sub);
        }

TreeSet也是支持逆序输出的，因为有descendingIterator的实现：

public Iterator<E> descendingIterator() {
        return m.descendingKeySet().iterator();
    }

总结

1. TreeSet是基于TreeMap实现的，支持自然排序和自定义排序，可以进行逆序输出；
2. TreeSet不允许null值；
3. TreeSet不是线程安全的，多线程环境下可以使用SortedSet s = Collections.synchronizedSortedSet(new TreeSet(...))；