Java之 TreeSet的详细使用说明

Java之 TreeSet的详细使用说明

第1部分 TreeSet介绍

TreeSet简介

TreeSet 是一个有序的集合，它的作用是提供有序的Set集合。它继承于AbstractSet抽象类，实现了NavigableSet, Cloneable, java.io.Serializable接口。

TreeSet 继承于AbstractSet，所以它是一个Set集合，具有Set的属性和方法。

TreeSet 实现了NavigableSet接口，意味着它支持一系列的导航方法。比如查找与指定目标最匹配项。

TreeSet 实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。

TreeSet 实现了java.io.Serializable接口，意味着它支持序列化。

TreeSet是基于TreeMap实现的。TreeSet中的元素支持2种排序方式：自然排序 或者 根据创建TreeSet 时提供的 Comparator 进行排序。这取决于使用的构造方法。

TreeSet为基本操作（add、remove 和 contains）提供受保证的 log(n) 时间开销。

另外，TreeSet是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fast的。

TreeSet的构造函数

// 默认构造函数。使用该构造函数，TreeSet中的元素按照自然排序进行排列。

TreeSet()

// 创建的TreeSet包含collection

TreeSet(Collection extends E> collection)

// 指定TreeSet的比较器

TreeSet(Comparator super E> comparator)

// 创建的TreeSet包含set

TreeSet(SortedSet set)

TreeSet的API

boolean add(E object)

boolean addAll(Collection extends E> collection)

void clear()

Object clone()

boolean contains(Object object)

E first()

boolean isEmpty()

E last()

E pollFirst()

E pollLast()

E lower(E e)

E floor(E e)

E ceiling(E e)

E higher(E e)

boolean remove(Object object)

int size()

Comparator super E> comparator()

Iterator iterator()

Iterator descendingIterator()

SortedSet headSet(E end)

NavigableSet descendingSet()

NavigableSet headSet(E end, boolean endInclusive)

SortedSet subSet(E start, E end)

NavigableSet subSet(E start, boolean startInclusive, E end, boolean endInclusive)

NavigableSet tailSet(E start, boolean startInclusive)

SortedSet tailSet(E start)

说明：

(01) TreeSet是有序的Set集合，因此支持add、remove、get等方法。

(02) 和NavigableSet一样，TreeSet的导航方法大致可以区分为两类，一类时提供元素项的导航方法，返回某个元素；另一类时提供集合的导航方法，返回某个集合。

lower、floor、ceiling 和 higher 分别返回小于、小于等于、大于等于、大于给定元素的元素，如果不存在这样的元素，则返回 null。

第2部分 TreeSet数据结构

TreeSet的继承关系

java.lang.Object

↳ java.util.AbstractCollection

↳ java.util.AbstractSet

↳ java.util.TreeSet

public class TreeSet extends AbstractSet

implements NavigableSetaZXIfEa, Cloneable, java.io.Serializable{}

TreeSet与Collection关系如下图：

从图中可以看出：

(01) TreeSet继承于AbstractSet，并且实现了NavigableSet接口。

(02) TreeSet的本质是一个"有序的，并且没有重复元素"的集合，它是通过TreeMap实现的。TreeSet中含有一个"NavigableMap类型的成员变量"m，而m实际上是"TreeMap的实例"。

第3部分 TreeSet源码解析(基于JDK1.6.0_45)

为了更了解TreeSet的原理，下面对TreeSet源码代码作出分析。

package java.util;

public class TreeSet extends AbstractSet

implements NavigableSet, Cloneable, java.io.Serializable

{

// NavigableMap对象

private transient NavigableMap m;

// TreeSet是通过TreeMap实现的，

// PRESENT是键-值对中的值。

private static final Object PRESENT = new Object();

// 不带参数的构造函数。创建一个空的TreeMap

public TreeSet() {

this(new TreeMap());

}

// 将TreeMap赋值给 "NavigableMap对象m"

TreeSet(NavigableMap m) {

this.m = m;

}

// 带比较器的构造函数。

public TreeSet(Comparator super E> comparator) {

this(new TreeMap(comparator));

}

// 创建TreeSet，并将集合c中的全部元素都添加到TreeSet中

public TreeSet(Collection extends E> c) {

this();

// 将集合c中的元素全部添加到TreeSet中

addAll(c);

}

// 创建TreeSet，并将s中的全部元素都添加到TreeSet中

public TreeSet(SortedSet s) {

this(s.comparator());

addAll(s);

}

// 返回TreeSet的顺序排列的迭代器。

// 因为TreeSet时TreeMap实现的，所以这里实际上时返回TreeMap的“键集”对应的迭代器

public Iterator iterator() {

return m.navigableKeySet().iterator();

}

// 返回TreeSet的逆序排列的迭代器。

// 因为TreeSet时TreeMap实现的，所以这里实际上时返回TreeMap的“键集”对应的迭代器

public Iterator descendingIterator() {

return m.descendingKeySet().iterator();

}

// 返回TreeSet的大小

public int size() {

return m.size();

}

// 返回TreeSet是否为空

public boolean isEmpty() {

return m.isEmpty();

}

// 返回TreeSet是否包含对象(o)

public boolean contains(Object o) {

return m.containsKey(o);

}

// 添加e到TreeSet中

public boolean add(E e) {

return m.put(e, PRESENT)==null;

}

// 删除TreeSet中的对象o

public boolean remove(Object o) {

return m.remove(o)==PRESENT;

}

// 清空TreeSet

public void clear() {

m.clear();

}

// 将集合c中的全部元素添加到TreeSet中

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 map = (TreeMap) m;

Comparator super E> cc = (Comparator super E>) set.comparator();

Comparator super E> mc = map.comparator();

if (cc==mc || (cc != null && cc.equals(mc))) {

map.addAllForTreeSet(set, PRESENT);

return true;

}

}

return super.addAll(c);

}

// 返回子Set，实际上是通过TreeMap的subMap()实现的。

public NavigableSet subSet(E fromElement, boolean fromInclusive,

E toElement, boolean toInclusive) {

return new TreeSet(m.subMap(fromElement, fromInclusive,

toElement, toInclusive));

}

// 返回Set的头部，范围是：从头部到toElement。

// inclusive是是否包含toElement的标志

public NavigableSet headSet(E toElement, boolean inclusive) {

return new TreeSet(m.headMap(toElement, inclusive));

}

// 返回Set的尾部，范围是：从fromElement到结尾。

// inclusive是是否包含fromElement的标志

public NavigableSet tailSet(E fromElement, boolean inclusive) {

return new TreeSet(m.tailMap(fromElement, inclusive));

}

// 返回子Set。范围是：从fromElement(包括)到toElement(不包括)。

public SortedSet subSet(E fromElement, E toElement) {

return subSet(fromElement, true, toElement, false);

}

// 返回Set的头部，范围是：从头部到toElement(不包括)。

public SortedSet headSet(E toElement) {

return headSet(toElement, false);

}

// 返回Set的尾部，范围是：从fromElement到结尾(不包括)。

public SortedSet tailSet(E fromElement) {

return tailSet(fromElement, true);

}

// 返回Set的比较器

public Comparator super E> comparator() {

return m.comparator();

}

// 返回Set的第一个元素

public E first() {

return m.firstKey();

}

// 返回Set的最后一个元素

public E first() {

public E last() {

return m.lastKey();

}

// 返回Set中小于e的最大元素

public E lower(E e) {

return m.lowerKey(e);

}

// 返回Set中小于/等于e的最大元素

public E floor(E e) {

return m.floorKey(e);

}

// 返回Set中大于/等于e的最小元素

public E ceiling(E e) {

return m.ceilingKey(e);

}

// 返回Set中大于e的最小元素

public E higher(E e) {

return m.higherKey(e);

}

// 获取第一个元素，并将该元素从TreeMap中删除。

public E pollFirst() {

Map.Entry e = m.pollFirstEntry();

return (e == null)? null : e.getKey();

}

// 获取最后一个元素，并将该元素从TreeMap中删除。

public E pollLast() {

Map.Entry e = m.pollLastEntry();

return (e == null)? null : e.getKey();

}

// 克隆一个TreeSet，并返回Object对象

public Object clone() {

TreeSet clone = null;

try {

clone = (TreeSet) super.clone();

} catch (CloneNotSupportedException e) {

throw new InternalError();

}

clone.m = new TreeMap(m);

return clone;

}

// java.io.Serializable的写入函数

// 将TreeSet的“比较器、容量，所有的元素值”都写入到输出流中

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)

throws java.io.IOException {

s.defaultWriteObject();

// 写入比较器

s.writeObject(m.comparator());

// 写入容量

s.writeInt(m.size());

// 写入“TreeSet中的每一个元素”

for (Iterator i=m.keySet().iterator(); i.hasNext(); )

s.writeObject(i.next());

}

// java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式读出

// 先将TreeSet的“比较器、容量、所有的元素值”依次读出

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)

throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {

// Read in any hidden stuff

s.defaultReadObject();

// 从输入流中读取TreeSet的“比较器”

Comparator super E> c = (Comparator super E>) s.readObject();

TreeMap tm;

if (c==null)

tm = new TreeMap();

else

tm = new TreeMap(c);

m = tm;

// 从输入流中读取TreeSet的“容量”

int size = s.readInt();

// 从输入流中读取TreeSet的“全部元素”

tm.readTreeSet(size, s, PRESENT);

}

// TreeSet的序列版本号

private static final long serialVersionUID = -2479143000061671589L;

}

总结：

(01) TreeSet实际上是TreeMap实现的。当我们构造TreeSet时；若使用不带参数的构造函数，则TreeSet的使用自然比较器；若用户需要使用自定义的比较器，则需要使用带比较器的参数。

(02) TreeSet是非线程安全的。

(03) TreeSet实现java.io.Serializable的方式。当写入到输出流时，依次写入“比较器、容量、全部元素”；当读出输入流时，再依次读取。

第4部分 TreeSet遍历方式

4.1 Iterator顺序遍历

for(Iterator iter = set.iterator(); iter.hasNext(); ) {

iter.next();

}

4.2 Iterator顺序遍历

// 假设set是TreeSet对象

for(Iterator iter = set.descendingIterator(); iter.hasNext(); ) {

iter.next();

}

4.3 for-each遍历HashSet

// 假设set是TreeSet对象，并且set中元素是String类型

String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);

for (String str:arr)

System.out.printf("for each : %s\n", str);

TreeSet不支持快速随机遍历，只能通过迭代器进行遍历！

TreeSet遍历测试程序如下：

import java.util.*;

/**

* @desc TreeSet的遍历程序

*

* @author skywang

* @email kuiwu-wang@163.com

*/

public class TreeSetIteratorTest {

public static void main(String[] args) {

TreeSet set = new TreeSet();

set.add("aaa");

set.add("aaa");

set.add("bbb");

set.add("eee");

set.add("ddd");

set.add("ccc");

// 顺序遍历TreeSet

ascIteratorThroughIterator(set) ;

// 逆序遍历TreeSet

descIteratorThroughIterator(set);

// 通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组

foreachTreeSet(set);

}

// 顺序遍历TreeSet

public static void ascIteratorThroughIterator(TreeSet set) {

System.out.print("\n ---- Ascend Iterator ----\n");

for(Iterator iter = set.iterator(); iter.hasNext(); ) {

System.out.printf("asc : %s\n", iter.next());

}

}

// 逆序遍历TreeSet

public static void descIteratorThroughIterator(TreeSet set) {

System.out.printf("\n ---- Descend Iterator ----\n");

for(Iterator iter = set.descendingIterator(); iter.hasNext(); )

System.out.printf("desc : %s\n", (String)iter.next());

}

// 通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组

private static void foreachTreeSet(TreeSet set) {

System.out.printf("\n ---- For-each ----\n");

String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);

for (String str:arr)

System.out.printf("for each : %s\n", str);

}

}

运行结果：

---- Ascend Iterator ----

asc : aaa

asc : bbb

asc : ccc

asc : ddd

asc : eee

---- Descend Iterator ----

desc : eee

desc : ddd

desc : ccc

desc : bbb

desc : aaa

---- For-each ----

for each : aaa

for each : bbb

for each : ccc

for each : ddd

for each : eee

第5部分 TreeSet示例

下面通过实例学习如何使用TreeSet

import java.util.*;

/**

* @desc TreeSet的API测试

*

* @author skywang

* @email kuiwu-wang@163.com

*/

public class TreeSetTest {

public static void main(String[] args) {

testTreeSetAPIs();

}

// 测试TreeSet的api

public static void testTreeSetAPIs() {

String val;

// 新建TreeSet

TreeSet tSet = new TreeSet();

// 将元素添加到TreeSet中

tSet.add("aaa");

// Set中不允许重复元素，所以只会保存一个“aaa”

tSet.add("aaa");

tSet.add("bbb");

tSet.add("eee");

tSet.add("ddd");

tSet.add("ccc");

System.out.println("TreeSet:"+tSet);

// 打印TreeSet的实际大小

System.out.printf("size : %d\n", tSet.size());

// 导航方法

// floor(小于、等于)

System.out.printf("floor bbb: %s\n", tSet.floor("bbb"));

// lower(小于)

System.out.printf("lower bbb: %s\n", tSet.lower("bbb"));

// ceiling(大于、等于)

System.out.printf("ceiling bbb: %s\n", tSet.ceiling("bbb"));

System.out.printf("ceiling eee: %s\n", tSet.ceiling("eee"));

// ceiling(大于)

System.out.printf("higher bbb: %s\n", tSet.higher("bbb"));

// subSet()

System.out.printf("subSet(aaa, true, ccc, true): %s\n", tSet.subSet("aaa", true, "ccc", true));

System.out.printf("subSet(aaa, true, ccc, false): %s\n", tSet.subSet("aaa", true, "ccc", false));

System.out.printf("subSet(aaa, false, ccc, true): %s\n", tSet.subSet("aaa", false, "ccc", true));

System.out.printf("subSet(aaa, false, ccc, false): %s\n", tSet.subSet("aaa", false, "ccc", false));

// headSet()

System.out.printf("headSet(ccc, true): %s\n", tSet.headSet("ccc", true));

System.out.printf("headSet(ccc, false): %s\n", tSet.headSet("ccc", false));

// tailSet()

System.out.printf("tailSet(ccc, true): %s\n", tSet.tailSet("ccc", true));

System.out.printf("tailSet(ccc, false): %s\n", tSet.tailSet("ccc", false));

// 删除“ccc”

tSet.remove("ccc");

// 将Set转换为数组

String[] arr = (String[])tSet.toArray(new String[0]);

for (String str:arr)

System.out.printf("for each : %s\n", str);

// 打印TreeSet

System.out.printf("TreeSet:%s\n", tSet);

// 遍历TreeSet

for(Iterator iter = tSet.iterator(); iter.hasNext(); ) {

System.out.printf("iter : %s\n", iter.next());

}

// 删除并返回第一个元素

val = (String)tSet.pollFirst();

System.out.printf("pollFirst=%s, set=%s\n", val, tSet);

// 删除并返回最后一个元素

val = (String)tSet.pollLast();

System.out.printf("pollLast=%s, set=%s\n", val, tSet);

// 清空HashSet

tSet.clear();

// 输出HashSet是否为空

System.out.printf("%s\n", tSet.isEmpty()?"set is empty":"set is not empty");

}

}

运行结果：

TreeSet:[aaa, bbb, ccc, ddd, eee]

size : 5

floor bbb: bbb

lower bbb: aaa

ceiling bbb: bbb

ceiling eee: eee

higher bbb: ccc

subSet(aaa, true, ccc, true): [aaa, bbb, ccc]

subSet(aaa, true, ccc, false): [aaa, bbb]

subSet(aaa, false, ccc, true): [bbb, ccc]

subSet(aaa, false, ccc, false): [bbb]

headSet(ccc, true): [aaa, bbb, ccc]

headSet(ccc, false): [aaa, bbb]

tailSet(ccc, true): [ccc, ddd, eee]

tailSet(ccc, false): [ddd, eee]

for each : aaa

for each : bbb

for each : ddd

for each : eee

TreeSet:[aaa, bbb, ddd, eee]

iter : aaa

iter : bbb

iter : ddd

iter : eee

pollFirst=aaa, set=[bbb, ddd, eee]

pollLast=eee, set=[bbb, ddd]

set is empty

补充：Java中关于使用TreeSet存储数据的自然排序和定制排序

一、题目

创建类的 5 个对象，并把这些对象放入 TreeSet 集合中（TreeSet 需使用泛型和不用泛型分别来定义）

分别按以下两种方式对集合中的元素进行排序，并遍历输出：

1、使 Employee 实现 Comparable 接口，并按 name 排序

2、创建 TreeSet 时传入 Comparator 对象，按生日日期的先后排序。

二、定义一个 Employee 类

/**

* 该类包含：private 成员变量 name,age,birthday，其中 birthday 为

* MyDate 类的对象；

* 并为每一个属性定义 getter, setter 方法；

* 并重写 toString 方法输出 name, age, birthday

* @author

* @create 2021-01-22-15:00

*/

public class Employee implements Comparable {

private String name;

private int age;

private MyDate birthday;

public Employee() {

}

public Employee(String name, int age, MyDate birthday) {

this.name = name;

this.age = age;

this.birthday = birthday;

}

public String getName() {

return name;

}

public void setName(String name) {

this.name = name;

}

public int getAge() {

return age;

}

public void setAge(int age) {

this.age = age;

}

public MyDate getBirthday() {

return birthday;

}

public void setBirthday(MyDate birthday) {

this.birthday = birthday;

}

@Override

public String toString() {

return "Employee{" +

"name='" + name + '\'' +

", age=" + age +

", birthday=" + birthday +

'}';

}

//不用泛型

// @Override

// public int compareTo(Object o) {

// if(o instanceof Employee){

// Employee employee = (Employee) o;

// return this.name.compareTo(employee.name);

// }

// throw new RuntimeException("输入的数据类型不一致");

// }

//使用泛型

@Override

public int compareTo(Employee o) {

return this.name.compareTo(o.name);

}

}

三、MyDate 类

/**

* MyDate 类包含:

* private 成员变量 year,month,day；并为每一个属性定义 getter, setter

* 方法；

* @author

* @create 2021-01-22-15:00

*/

public class MyDate implements Comparable {

private int year;

private int month;

private int day;

public MyDate() {

}

public MyDate(int year, int month, int day) {

this.year = year;

this.month = month;

this.day = day;

}

@Override

public String toString() {

return "MyDate{" +

"year=" + year +

", month=" + month +

", day=" + day +

'}';

}

public int getYear() {

return year;

}

public void setYear(int year) {

this.year = year;

}

public int getMonth() {

return month;

}

public void setMonth(int month) {

this.month = month;

}

public int getDay() {

return day;

}

public void setDay(int day) {

this.day = day;

}

@Override

public int compareTo(MyDate o) {

int minusYear= this.year-o.year;

if (minusYear !=0){

return minusYear;

}

int minusMonth= this.month-o.month;

if (minusMonth !=0){

return minusMonth;

}

return this.day-o.day;

}

}

四、单元测试

（一）

@Test

public void test1(){

TreeSet set = new TreeSet<>();

set.add(new Employee("hh",23,new MyDate(1992,4,12)));

set.add(new Employee("ff",43,new MyDate(1956,5,4)));

set.add(new Employee("aa",27,new MyDate(1936,8,6)));

set.add(new Employee("gg",38,new MyDate(1992,4,4)));

Iterator iterator = set.iterator();

while (iterator.hasNext()){

System.out.println(iterator.next());

}

}

结果如下：

（二）

@Test

public void test2(){

TreeSet set = new TreeSet<>(new Comparator() {

@Override

public int compare(Employee e1, Employee e2) {

//加上泛型

MyDate b1 = e1.getBirthday();

MyDate b2 = e2.getBirthday();

return b1.compareTo(b2);

//不加泛型

// if (o1 instanceof Employee && o2 instanceof Employee){

// Employee m1 = (Employee) o1;

// Employee m2 = (Employee) o2;

// MyDate m1Birthday = m1.getBirthday();

// MyDate m2Birthday = m2.getBirthday();

//

// int minusYear = m1Birthday.getYear()- m2Birthday.getYear();

// if (minusYear!=0){

// return minusYear;

// }

// int minusMonth = m1Birthday.getMonth()- m2Birthday.getMonth();

// if (minusMonth!=0){

// return minusMonth;

// }

// int minusDay = m1Birthday.getDay()- m2Birthday.getDay();

// return minusDay;

//

// }

// throw new RuntimeException("传入的数据类型不一致");

}

});

set.add(new Employee("hh",23,new MyDate(1944,12,4)));

set.add(new Employee("ff",43,new MyDate(1957,5,4)));

set.add(new Employee("aa",27,new MyDate(1906,12,6)));

set.add(new Employee("gg",38,new MyDate(1906,4,4)));

Iterator iterator = set.iterator();

while (iterator.hasNext()){

System.out.println(iterator.next());

}

}

结果如下：

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