Java基础之TreeMap详解
一、写在前面
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。
二、定义
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
三、成员变量
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。
四、内部类
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。
五、构造器
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
六、成员方法
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 performance
if (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 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;
}
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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