TreeSet 的底层原理

以下是 TreeSet 的底层原理的详细解析，结合其数据结构、排序机制及性能优化：

---

一、底层数据结构：基于红黑树的有序集合

TreeSet 的底层实现完全依赖于 TreeMap，其核心数据结构为 红黑树（一种自平衡的二叉搜索树）。
关键设计：
• 元素存储：TreeSet 中的元素作为 TreeMap 的 键（Key），而值（Value）统一使用静态常量 PRESENT 占位。
• 红黑树特性：
• 每个节点包含颜色（红/黑）、父节点、左右子节点引用。
• 通过 颜色调整 和 旋转操作 维护树的平衡，确保插入、删除、查询等操作的时间复杂度为 O(log n)。
• 自平衡规则包括：根节点为黑色、红色节点不能连续、任意节点到叶子的路径包含相同数量的黑色节点等。

数据结构示意图：

TreeSet 实例
└── 内部 TreeMap
    ├── 红黑树根节点
    │   ├── 左子节点 → 元素A（黑）
    │   └── 右子节点 → 元素B（红）→ 元素C（黑）
    └── 比较器（自然排序或自定义 Comparator）

---

二、排序机制：自然排序与自定义 Comparator

TreeSet 支持两种排序方式：

1. 自然排序：
   • 元素必须实现 Comparable 接口（如 Integer、String），通过 compareTo() 方法定义排序规则。
   • 未实现 Comparable 的自定义类会抛出 ClassCastException。
2. 自定义 Comparator：
   • 通过构造方法 TreeSet(Comparator<? super E> comparator) 传入比较器，覆盖自然排序规则。
   • 示例：按字符串长度排序：

   TreeSet<String> set = new TreeSet<>((s1, s2) -> s1.length() - s2.length());
   

---

三、核心操作流程

1. 添加元素（add(e)）

• 步骤：

1. 调用 compare() 或 compareTo() 确定元素在红黑树中的位置。
2. 若元素已存在（compareTo() 返回 0），插入失败（保证唯一性）。
3. 插入新节点，调整红黑树颜色和结构以维持平衡。
   • 源码逻辑：

public boolean add(E e) {
    return m.put(e, PRESENT) == null; // 委托给 TreeMap 的 put() 方法
}

2. 删除元素（remove(o)）

• 步骤：

1. 通过比较器或自然排序定位目标节点。
2. 若节点存在，删除后调整红黑树结构（如旋转、颜色翻转）。
   • 源码逻辑：

public boolean remove(Object o) {
    return m.remove(o) == PRESENT; // 委托给 TreeMap 的 remove() 方法
}

3. 遍历元素

• 迭代顺序：按红黑树的 中序遍历（左-根-右）输出升序结果。
• 示例：

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>(Arrays.asList(5, 3, 8));
set.forEach(System.out::println); // 输出 3 → 5 → 8

---

四、构造方法与扩容机制

1. 构造方法：
   • TreeSet()：默认自然排序，元素必须实现 Comparable。
   • TreeSet(Comparator comparator)：自定义排序规则。
   • TreeSet(Collection c)：基于已有集合构造，自动排序。
2. 动态扩容：
   • 红黑树通过 自平衡机制 动态调整结构，无需手动扩容。

---

五、线程安全与性能特点

1. 非线程安全：
   • 多线程并发修改会导致数据不一致或 ConcurrentModificationException。
   • 解决方案：使用 Collections.synchronizedSortedSet() 包装。
2. 性能特点：
   • 优点：有序性、唯一性、高效范围查询（如 subSet()、headSet()）。
   • 缺点：插入/删除开销高于 HashSet（需维护红黑树平衡）。

---

六、应用场景

1. 排序数据：如按时间戳记录日志。
2. 去重且有序：如维护用户权限列表。
3. 范围查询：如查找某一时间段内的订单。

---

七、与其他集合类的对比

特性	TreeSet	HashSet	LinkedHashSet
底层结构	红黑树	哈希表	哈希表 + 双向链表
顺序性	自然或自定义排序	无序	插入顺序
时间复杂度	O(log n)	O(1)（均摊）	O(1)（均摊）
适用场景	需排序或范围查询	快速去重、高频查询	需保留插入顺序的去重

---

总结

TreeSet 通过 红黑树 实现了高效的有序集合管理，核心优势在于元素自动排序和唯一性保障。其底层依赖 TreeMap 的键存储机制，结合自平衡算法优化性能，适用于需要动态维护有序数据的场景。