JDK 1.8源码阅读 TreeMap

一，前言

　　TreeMap:基于红黑树实现的，TreeMap是有序的。

二，TreeMap结构

　　2.1 红黑树结构

　　　　红黑树又称红-黑二叉树，它首先是一颗二叉树，它具体二叉树所有的特性。同时红黑树更是一颗自平衡的排序二叉树。我们知道一颗基本的二叉树他们都需要满足一个基本性质--即树中的任何节点的值大于它的左子节点，且小于它的右子节点。按照这个基本性质使得树的检索效率大大提高。我们知道在生成二叉树的过程是非常容易失衡的，最坏的情况就是一边倒（只有右/左子树），这样势必会导致二叉树的检索效率大大降低（O(n)），所以为了维持二叉树的平衡，大牛们提出了各种实现的算法，如：AVL，SBT，伸展树，TREAP ，红黑树等等。

　　　　平衡二叉树必须具备如下特性：它是一棵空树或它的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1，并且左右两个子树都是一棵平衡二叉树。也就是说该二叉树的任何一个等等子节点，其左右子树的高度都相等。

　　　　红黑树的特点：

　　　　1、每个节点都只能是红色或者黑色

　　 2、根节点是黑色

　　3、每个叶节点（NIL节点，空节点）是黑色的。

　　 4、如果一个结点是红的，则它两个子节点都是黑的。也就是说在一条路径上不能出现相邻的两个红色结点。

　　 5、从任一节点到其每个叶子的所有路径都包含相同数目的黑色节点。

　　　　这些约束强制了红黑树的关键性质: 从根到叶子的最长的可能路径不多于最短的可能路径的两倍长。结果是这棵树大致上是平衡的。因为操作比如插入、删除和查找某个值的最坏情况时间都要求与树的高度成比例，这个在高度上的理论上限允许红黑树在最坏情况下都是高效的，而不同于普通的二叉查找树。所以红黑树它是复杂而高效的，其检索效率O(log n)。下图为一颗典型的红黑二叉树。

　　　　对于红黑树的其他内容可以参照：http://www.cnblogs.com/yangecnu/p/Introduce-Red-Black-Tree.html

　　2.2 TreeMap红黑树节点

　　　前面已经说个TreeMap是基于红黑树结构实现的。如下是JDK中红黑树节点的代码：

static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
    K key;    //键
    V value;    //值
    Entry<K,V> left = null;     //左孩子节点
    Entry<K,V> right = null;    //右孩子节点
    Entry<K,V> parent;          //父节点
    boolean color = BLACK;      //节点的颜色，在红黑树种，只有两种颜色，红色和黑色
 
    //构造方法，用指定的key,value ,parent初始化，color默认为黑色
    Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) {
        this.key = key;
        this.value = value;
        this.parent = parent;
    }
 
    //返回key
    public K getKey() {
        return key;
    }
 
    //返回该节点对应的value
    public V getValue() {
        return value;
    }
 
    //替换节点的值，并返回旧值
    public V setValue(V value) {
        V oldValue = this.value;
        this.value = value;
        return oldValue;
    }
    //重写equals()方法
    public boolean equals(Object o) {
        if (!(o instanceof Map.Entry))
            return false;
        Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
        //两个节点的key相等，value相等，这两个节点才相等
        return valEquals(key,e.getKey()) && valEquals(value,e.getValue());
    }
    //重写hashCode()方法
    public int hashCode() {
        int keyHash = (key==null ? 0 : key.hashCode());
        int valueHash = (value==null ? 0 : value.hashCode());
        //key和vale hash值得异或运算，相同则为零，不同则为1
        return keyHash ^ valueHash;
    }
    //重写toString()方法
    public String toString() {
        return key + "=" + value;
    }
}

三，TreeMap源码阅读

　　3.1 TreeMap的继承关系

　　　TreeMap实现了SotredMap接口，它是有序的集合。而且是一个红黑树结构，每个key-value都作为一个红黑树的节点。如果在调用TreeMap的构造函数时没有指定比较器，则根据key执行自然排序。

　　3.2 TreeMap的成员变量

private final Comparator<? super K> comparator;  //比较器，是自然排序，还是定制排序 ，使用final修饰，表明一旦赋值便不允许改变
private transient Entry<K,V> root = null;  //红黑树的根节点
private transient int size = 0;     //TreeMap中存放的键值对的数量
private transient int modCount = 0;   //修改的次数

　　3.3 TreeMap的构造方法

//空参构造方法，comparator用键的顺序做比较
public TreeMap() {
    comparator = null;
}
 
//构造方法，提供比较器，用指定比较器排序
public TreeMap(Comparator<? super K> comparator) {
    his.comparator = comparator;
}
 
//将m中的元素转化daoTreeMap中，按照键的顺序做比较排序
public TreeMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    comparator = null;
    putAll(m);
}
 
//构造方法，指定的参数为SortedMap
//采用m的比较器排序
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) {
    }
}

　　3.4 TreeMap的常用方法

public int size() {} // 返回个数
 
public boolean containsKey(Object key) {} // 是否包含某个key
 
public boolean containsValue(Object value) {} // 是否包含某个值
 
public V get(Object key) {} // 根据key取值 
 
public Comparator<? super K> comparator() {} // 排序的算法
 
public K firstKey() {} // 返回第一个key
 
public K lastKey() {} // 返回最后一个key
 
public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> map) {} // 添加多个
 
public V put(K key, V value) {} // 添加一个
 
public V remove(Object key) {} // 删除
 
public void clear() {} // 清空
 
public Object clone() {} // 复制
 
public Map.Entry<K,V> firstEntry() {}
 
public Map.Entry<K,V> lastEntry() {}
 
public Map.Entry<K,V> pollFirstEntry() {}
 
public Map.Entry<K,V> pollLastEntry() {}
 
public Map.Entry<K,V> lowerEntry(K key) {}
 
public K lowerKey(K key) {}
 
public Map.Entry<K,V> floorEntry(K key) {}
 
public K floorKey(K key) {}
 
public Map.Entry<K,V> ceilingEntry(K key) {}
 
public K ceilingKey(K key) {}
 
public Map.Entry<K,V> higherEntry(K key) {}
 
public K higherKey(K key) {}
 
public Set<K> keySet() {}
 
public NavigableSet<K> navigableKeySet() {}
 
public NavigableSet<K> descendingKeySet() {}
 
public Collection<V> values() {}
 
public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() {}
 
public NavigableMap<K,V> subMap(K fromKey, boolean fromInclusive,K toKey,   boolean toInclusive) {}
 
public NavigableMap<K,V> headMap(K toKey, boolean inclusive) {}
 
public NavigableMap<K,V> tailMap(K fromKey, boolean inclusive) {}
 
public SortedMap<K,V> subMap(K fromKey, K toKey) {}
 
public SortedMap<K,V> headMap(K toKey) {}
 
public SortedMap<K,V> tailMap(K fromKey) {}
 
@Override
public boolean replace(K key, V oldValue, V newValue) {} // 对应值替换
 
@Override
public V replace(K key, V value) {} // 替换
 
@Override
public void forEach(BiConsumer<? super K, ? super V> action) {} // 提供便利
 
@Override
public void replaceAll(BiFunction<? super K, ? super V, ? extends V> function) {}

四，总结

　　因为TreeMap是有序的，TreeMap的增删改查和统计相关的操作的时间复杂度都为 O(logn).相对于HashMap和LikedHashMap 这些 hash表的时间复杂度O(1)（不考虑冲突情况），TreeMap的增删改查的时间复杂度为O(logn)就显得效率较低。HashMap并不保证任何顺序性。LikedHashMap额外保证了Map的遍历顺序与put顺序一致的有序性。