TreeMap原始碼剖析

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主題原始碼分析

紅黑樹注：以下原始碼基於jdk1.7.0_11

之前介紹了一系列map集合中的具體實現類，包括hashmap，hashtable，linkedhashmap。這三個類都是基於雜湊表實現的，今天我們介紹另一種map集合,treemap。treemap是基於紅黑樹實現的。

介紹treemap之前，回顧下紅黑樹的性質：

首先，我們要明確，紅黑樹是一種二叉排序樹，而且是平衡二叉樹。因而紅黑樹具有排序樹的所有特點，任意結點的左子樹（如果有的話）的值比該結點小，右子樹（如果有的話）的值比該結點大。二叉排序樹各項操作的平均時間複雜度為o(logn),但是最壞情況下，二叉排序樹會退化成單鏈表，此時時間複雜度為o(n),紅黑樹在二叉排序樹的基礎上，對其增加了一系列約束，使得其盡可能地平衡，紅黑樹的查詢和更新的時間複雜度為o(logn)。

紅黑樹的五條性質：

1.每個結點要麼是紅色，要麼是黑色；

2.根結點為黑色；

3.葉結點為黑色（空結點）；

4.若乙個結點為紅色，則其子結點為黑色；

5.每個葉結點到根結點的路徑中黑色結點的數目一致（黑高度相同）。

紅黑樹的查詢操作與二叉排序樹相同，重點是其插入和刪除操作。紅黑樹的插入和刪除操作在二叉排序樹的基礎上增加了修復操作，因為插入和刪除可能會導致樹不再滿足紅黑樹性質，這時候會通過著色、旋轉操作對其進行修復。

下面來看treemap的實現。

類宣告：

public class treemap
extends abstractmap
implements n**igablemap, cloneable, j**a.io.serializable

treemap同樣繼承abstractmap，但是它實現了n**igablemap介面，而n**igablemap介面繼承自sortedmap介面。

treemap有四個成員變數，其中root是紅黑樹的根結點，由於紅黑樹的查詢和更新操作需要比較，故而有個比較器comparator，預設情況下，comparator為空，這就要求我們的鍵必須實現comparable介面，以定義比較規則。

private final comparator super k> comparator;//比較器
private transient entryroot = null;//樹根
/*** the number of entries in the tree
*/private transient int size = 0;//大小
/*** the number of structural modifications to the tree.
*/private transient int modcount = 0;//修改次數

構造器：

public treemap() 
public treemap(comparator super k> comparator) 
public treemap(map extends k, ? extends v> m) 
public treemap(sortedmapm) 
}

在檢視treemap的查詢和更新操作之前，我們先看下entry的實現，其實我們都可以猜到，entry既然是treemap儲存的結點，那麼其必然包括如下幾個域：資料（鍵、值）、父結點、左孩子、右孩子、顏色。

事實正是如此：

static final class entry implements map.entry  child links, and black color.
*/entry(k key, v value, entryparent) 
public k getkey() 
public v getvalue() 
public v setvalue(v value) 
public boolean equals(object o) 
public int hashcode() 
public string tostring() 
}

下面來看put方法：

public v put(k key, v value) 
int cmp;
entryparent;//父結點
// split comparator and comparable paths
comparator super k> cpr = comparator;
if (cpr != null) while (t != null);
} else while (t != null);
} //找到插入點之後，建立新結點，插入之。
entrye = new entry<>(key, value, parent);
if (cmp < 0)//判斷是掛到左邊還是右邊
parent.left = e;
else
parent.right = e;
fixafterinsertion(e);//進行著色和旋轉等操作修復紅黑樹
size++;
modcount++;
return null;
}

明確以下幾點：

1.treemap的查詢和更新操作都涉及到比較操作，故而treemap的鍵必須實現comparable介面或者構造時得傳入比較器（既實現了comparable介面又傳入了比較器情況下，比較器優先）；

2.put操作不允許null鍵，但是值（value）允許為null；

3.鍵重複的情況下，新值會覆蓋掉舊值。

再看get方法：

public v get(object key)

呼叫getentry方法查詢指定鍵值：

final entrygetentry(object key) 
return null;//沒找到
} final entrygetentryusingcomparator(object key) 
} return null;
}

對比hashmap近乎o(1)的查詢複雜度，treemap顯得略有不足。

再看remove刪除操作：

public v remove(object key)

雖然看上去寥寥幾行**，其實邏輯十分複雜，具體體現在刪除結點後的恢復操作。

private void deleteentry(entryp)  // p has 2 children
//下面操作將釋放s結點，並修復紅黑樹
// start fixup at replacement node, if it exists.
entryreplacement = (p.left != null ? p.left : p.right);
if (replacement != null) else if (p.parent == null) else 
} }

successtor函式用於找乙個結點的中序後繼(參見之前寫的一篇如何得到乙個結點的中序後繼，演算法一致)：

迭代器遍歷操作正是基於successtor操作完成的。所以遍歷treemap得到的鍵值對是有序的。

static treemap.entrysuccessor(entryt)  else 
return p;
} }

對稱地，還有個查詢直接前驅的函式：

static entrypredecessor(entryt)  else 
return p;
} }

注：文章故意忽略了更新操作中涉及到的紅黑樹修復動作（著色，旋轉），此部分內容較為複雜，作者目前也沒有完全吃透。

總結：1.treemap的實現基於紅黑樹；

2.treemap不允許插入null鍵，但允許null值；

3.treemap執行緒不安全；

4.插入結點時，若鍵重複，則新值會覆蓋舊值；

5.treemap要求key必須實現comparable介面，或者初始化時傳入comparator比較器；

6.遍歷treemap得到的結果集是有序的(中序遍歷);

7.treemap的各項操作的平均時間複雜度為o（logn）.

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TreeMap的原始碼

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