滚雪球学Java(63):Java高级集合之TreeSet:什么是它,为什么使用它?

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环境说明:Windows 10 + IntelliJ IDEA 2021.3.2 + Jdk 1.8

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前言

  在Java编程中,集合是一个非常重要的概念。Java中的集合框架就是在Java 2中引入的。集合框架提供了一组标准接口,可以在处理一组对象时使用。Java提供了许多不同的集合类,每个类都有不同的性能和用途。在这篇文章中,我们将介绍Java中的一个高级集合——TreeSet。

摘要

  TreeSet是Java集合框架中的一个类,属于有序的、可排序的集合类。它实现了Set接口,底层是基于红黑树的数据结构实现的。TreeSet可以确保元素的排序顺序,对于需要排序的场景,十分实用。

TreeSet

概述

TreeSet的特点

  • TreeSet是一个有序的集合类,实现了SortedSet接口。
  • TreeSet中的元素会按照插入顺序进行排序,或者根据指定的Comparator进行排序。
  • TreeSet允许null元素,但在判断元素是否相等时需要依靠Comparator来处理。

TreeSet的底层实现

  在Java中,TreeSet的底层数据结构是基于红黑树的数据结构实现的。红黑树是一种近似于平衡的二叉查找树,它能够确保任何一个节点的左右子树的高度差不会大于二倍。

  在红黑树中,每个节点都被标记为红色或黑色。树的根节点是黑色的。如果一个节点是红色的,则它的子节点必须是黑色的(反之不一定成立)。从根节点出发到任意一个空节点的路径上,所经过的黑色节点数量必须相同。

TreeSet的构造函数

  TreeSet提供了多种构造函数,其中最常用的是无参构造函数和带有Comparator参数的构造函数。

无参构造函数的定义如下:

public TreeSet()

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带有Comparator参数的构造函数的定义如下:

    public TreeSet(Comparator<? super E> comparator)

  建议在使用TreeSet时,使用带有Comparator参数的构造函数,可以确保在元素比较时使用指定的比较器。

  如下是部分源码截图:

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源代码解析

TreeSet的基本操作

向TreeSet中添加元素的代码如下:

TreeSet<String> set = new TreeSet<>();
set.add("Java");
set.add("Python");
set.add("C++");

  这段代码会在TreeSet中添加三个元素:Java、Python和C++。由于TreeSet是有序的,因此这些元素将会按照字典序进行排序。

从TreeSet中删除元素的代码如下:

set.remove("Python");

  这段代码将会从TreeSet中删除Python元素。

判断TreeSet中是否存在指定元素的代码如下:

boolean isExist = set.contains("Java");

  这段代码将会判断TreeSet中是否存在Java元素,如果存在,返回true,否则返回false。

获取TreeSet中第一个元素的代码如下:

String first = set.first();

这段代码将会获取TreeSet中的第一个元素。

获取TreeSet中最后一个元素的代码如下:

String last = set.last();

这段代码将会获取TreeSet中的最后一个元素。

  如下是部分源码截图:

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TreeSet中的红黑树

  TreeSet底层维护了一个红黑树。在红黑树的插入、删除和查找操作中,时间复杂度都是O(log n)的。

  由于红黑树是一个有序的二叉树,因此TreeSet中的元素也是有序的。在调用TreeSet的add方法时,会调用红黑树的插入方法,在插入过程中,会根据元素的大小,将其插入到正确的位置上。

使用Comparator进行排序

  在上面的代码示例中,我们使用了无参构造函数创建了一个TreeSet对象。这种情况下,TreeSet会使用元素对象的compareTo方法进行比较。如果我们希望使用另一种比较方式,可以使用Comparator进行排序。

  Comparator是一个函数式接口,可以通过Lambda表达式创建。例如,我们想要按照字符串长度进行排序,可以这样写:

TreeSet<String> set = new TreeSet<>((a, b) -> a.length() - b.length());
set.add("Java");
set.add("Python");
set.add("C++");

  这段代码将会按照字符串长度进行排序,因此TreeSet中的元素顺序为:C++、Java、Python。

应用场景案例

TreeSet的场景

  当我们需要维护一个有序的集合,并且希望能够高效地进行插入、删除和查找操作时,可以使用TreeSet。TreeSet在实现Set接口的同时,还实现了SortedSet接口,因此可以保证元素的有序性。

TreeSet的优点

  • TreeSet是有序的,可以确保元素的排序顺序。
  • TreeSet底层使用红黑树实现,插入、删除和查找操作的时间复杂度都是O(log n)的。
  • TreeSet允许null元素。

TreeSet的缺点

  • 在判断元素相等时,需要使用Comparator进行处理。
  • TreeSet的底层是一个红黑树,因此对于插入、删除和查找等操作,需要使用树的相关知识进行理解和处理。

类代码方法介绍

下面是TreeSet类中部分重要的方法介绍。

构造函数

public TreeSet()

无参构造函数,创建一个空的TreeSet对象。

public TreeSet(Comparator<? extends E> comparator)

带有Comparator参数的构造函数,创建一个空的TreeSet对象,并使用指定的Comparator进行排序。

添加元素

public boolean add(E e)

向TreeSet中添加元素。

删除元素

public boolean remove(Object o)

从TreeSet中删除指定元素。

查找元素

public boolean contains(Object o)

判断TreeSet中是否包含指定元素。

public E first()

获取TreeSet中的第一个元素。

public E last()

获取TreeSet中的最后一个元素。

测试用例

下面是一个简单的测试用例,用于测试TreeSet的基本功能。

package com.demo.javase.day63;

import java.util.TreeSet;

/**
 * @Author bug菌
 * @Date 2023-11-06 11:01
 */
public class TreeSetTest {
   
   

    public static void main(String[] args) {
   
   
        TreeSet<String> set = new TreeSet<>();
        set.add("Java");
        set.add("Python");
        set.add("C++");

        System.out.println(set.contains("Java")); // true
        System.out.println(set.contains("Ruby")); // false

        System.out.println(set.first()); // C++
        System.out.println(set.last()); // Python

        set.remove("Python");
        System.out.println(set.contains("Python")); // false
    }
}

测试结果

  根据如上测试用例,本地测试结果如下,仅供参考,你们也可以自行修改测试用例或者添加更多的测试数据或测试方法,进行熟练学习以此加深理解。

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测试代码分析

  根据如上测试用例,在此我给大家进行深入详细的解读一下测试代码,以便于更多的同学能够理解并加深印象。

  该代码是一个 Java 程序,主要演示了使用 TreeSet 类来创建一个可排序的集合,并对集合进行添加、查询、删除等操作。具体分析如下:

  1. 导入 java.util.TreeSet 类。

  2. 在 main 方法中,创建一个 TreeSet 实例对象,并添加三个字符串类型的元素:"Java"、"Python"、"C++"。

  3. 使用 contains 方法查询该集合是否包含某个元素,输出查询结果。例如,查询集合是否包含字符串 "Java" 和 "Ruby",输出结果分别为 true 和 false。

  4. 使用 first 和 last 方法,分别输出集合中的第一个元素和最后一个元素。例如,输出结果分别为:"C++" 和 "Python"。

  5. 使用 remove 方法,删除集合中的某个元素,并使用 contains 方法查询该元素是否还在集合中。例如,删除元素 "Python" 后,再次查询该元素是否在集合中,输出结果为 false。

    全文小结

  在本文中,我们介绍了Java高级集合之TreeSet。我们先对TreeSet的特点、底层实现方式进行了介绍,然后介绍了TreeSet的基本操作和使用Comparator进行排序的方法。接着,我们介绍了TreeSet的应用场景及其优缺点,并对TreeSet类的部分重要方法进行了介绍。最后,我们还编写了一个简单的测试用例,对TreeSet进行了测试。

总结

  本文介绍了Java高级集合之TreeSet,它是一种有序的、可排序的集合类。TreeSet底层使用红黑树数据结构实现,能够快速进行插入、删除和查找操作,且能保证元素的有序性。我们可以使用无参构造函数或带有Comparator参数的构造函数创建TreeSet对象,并使用相关方法进行添加、删除和查找操作。此外,本文还简述了TreeSet的应用场景、优缺点和重要方法,并提供了一个简单的测试用例进行演示。

  ...

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