Java 集合框架：TreeMap 的介绍、使用、原理与源码解析
在 Java 的集合框架中，TreeMap 是一种重要的实现了 Map 接口的数据结构。它是一个基于红黑树（自平衡的二叉搜索树）实现的有序映射，能够让我们在处理键值对时，提供有序性、快速的插入、删除和查找等操作。
TreeMap 的特点
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有序性：
TreeMap根据键的自然顺序或者构造时提供的Comparator进行排序，因此键值对的迭代顺序是确定的。 -
时间复杂度：
TreeMap的插入、删除和查找操作时间复杂度均为 O(log n)，适合处理需要频繁变更的集合。 -
不允许空键：
TreeMap不允许存放空键，但可以存放空值。 -
实现接口：
TreeMap实现了NavigableMap，因此提供一些额外的导航方法，比如获取比某个键大的最小键、获取比某个键小的最大键等。
TreeMap 的使用
使用 TreeMap 非常简单，下面是一个基本示例代码，演示如何使用 TreeMap 来存储学生的学号和姓名，并按学号自动排序：
import java.util.TreeMap;
public class TreeMapExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 TreeMap
TreeMap<Integer, String> studentMap = new TreeMap<>();
// 添加键值对
studentMap.put(1001, "Alice");
studentMap.put(1004, "Bob");
studentMap.put(1002, "Charlie");
studentMap.put(1003, "David");
// 打印所有键值对
System.out.println("按学号排序的学生名单：");
for (Integer id : studentMap.keySet()) {
System.out.println("学号: " + id + ", 姓名: " + studentMap.get(id));
}
// 获取特定键
String student = studentMap.get(1002);
System.out.println("学号 1002 的学生是: " + student);
// 删除一个键值对
studentMap.remove(1003);
System.out.println("删除学号 1003 后的学生名单：");
for (Integer id : studentMap.keySet()) {
System.out.println("学号: " + id + ", 姓名: " + studentMap.get(id));
}
}
}
运行上述代码，将输出按学号排序的学生名单，并进行相应的增、查、删操作。
TreeMap 的原理
TreeMap 的底层是红黑树，一种特殊的自平衡二叉搜索树。红黑树的特点是：
- 节点是红色或黑色，根节点为黑色。
- 每个叶子节点（Nil或Null）都是黑色。
- 如果一个节点是红色，则它的两个子节点必定是黑色。
- 从任何节点到其每个叶子节点的路径上，包含相同数目的黑色节点。
这种结构保证了树的高度是对数级别，确保了插入、删除和查找操作的高效性。
源码解析
在 TreeMap 的源码中，核心是 Entry 内部类，该类表示树中的节点。红黑树的属性和节点的颜色是其主要特征。
以下是部分简化的 Entry 类的示例：
static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
K key;
V value;
Entry<K,V> left; // 左孩子
Entry<K,V> right; // 右孩子
Entry<K,V> parent; // 父节点
int color; // 颜色
// 构造函数
Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) {
this.key = key;
this.value = value;
this.parent = parent;
this.color = RED; // 默认红色
}
}
在 TreeMap 的插入和删除方法中，都会有相应的树结构调整操作，以确保红黑树的性质得以保持。
总结
TreeMap 是一个功能强大的集合类，适合需要有序存取的场合。它的红黑树实现保证了高效的操作性能，且具备合理的内存占用，因此在许多应用中得到了广泛应用。理解其工作原理和源码结构，可以帮助开发者更好地利用这一优秀的数据结构。
