JDK 8 TreeSet 详解及详细源码展示

JDK 8 中的 TreeSet 是基于 TreeMap 实现的 有序集合，它继承自 AbstractSet 并实现了 NavigableSet 接口（NavigableSet 继承自 SortedSet）。TreeSet 的核心特性是元素唯一且按自然顺序或自定义比较器排序，并支持高效的导航操作（如查找最接近的元素）。

一、TreeSet 的核心特性

特性	说明
有序性	元素按键的自然顺序（若元素实现 Comparable）或自定义 Comparator 排序。
元素唯一	元素不可重复（依赖 TreeMap 键的唯一性）。
不允许 null 元素	若使用自然排序（无 Comparator），元素必须非 null（因 Comparable 不允许 null）；若使用自定义 Comparator，可能允许 null（但需 Comparator 处理 null）。
导航方法	支持 ceiling()、floor()、higher()、lower() 等方法，快速查找最接近的元素。
时间复杂度	插入、删除、查找等操作的平均/最坏时间复杂度为 O(log n)（基于红黑树的高度）。

二、TreeSet 的核心结构

1. 继承与接口

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E> implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable

• NavigableSet：扩展了 SortedSet，增加了导航方法（如查找最近元素）和视图操作（如子集合）。
• AbstractSet：提供 Set 接口的骨架实现，减少重复代码。

2. 核心属性

TreeSet 内部通过 TreeMap 存储元素，键为集合元素，值为静态的 Object 占位符（仅用于标记存在）：

// 内部 TreeMap 实例（存储元素）
private transient NavigableMap<E, Object> m;

// 值的占位符（无实际意义，仅用于 TreeMap 存储）
private static final Object PRESENT = new Object();

3. 构造方法

TreeSet 的构造方法本质是初始化内部的 TreeMap：

// 默认构造方法：使用自然排序
public TreeSet() {
    this(new TreeMap<>()); // 内部 TreeMap 使用自然排序
}

// 指定 Comparator 的构造方法
public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
    this(new TreeMap<>(comparator)); // 内部 TreeMap 使用自定义比较器
}

// 从 Iterable 初始化（按自然排序或 Comparator 排序）
public TreeSet(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c); // 插入所有元素，触发排序
}

// 从 SortedSet 初始化（保留排序规则）
public TreeSet(SortedSet<E> s) {
    this(s.comparator()); // 继承原 SortedSet 的比较器
    addAll(s); // 插入所有元素
}

三、核心方法解析

TreeSet 的方法本质是对内部 TreeMap 的封装，核心逻辑依赖 TreeMap 的实现。

1. add(E e)：添加元素

add 方法通过 TreeMap.put(e, PRESENT) 实现，利用 TreeMap 键的唯一性保证元素不重复：

public boolean add(E e) {
    return m.put(e, PRESENT) == null; // TreeMap 的 put 返回旧值（若存在则返回旧值，否则返回 null）
}

2. contains(Object o)：判断元素是否存在

通过 TreeMap.containsKey(o) 实现，依赖 TreeMap 的键查找逻辑：

public boolean contains(Object o) {
    return m.containsKey(o); // TreeMap 的 containsKey 基于红黑树查找
}

3. remove(Object o)：删除元素

通过 TreeMap.remove(o) 实现，删除成功返回 true（若元素存在）：

public boolean remove(Object o) {
    return m.remove(o) == PRESENT; // TreeMap 的 remove 返回旧值（存在则返回 PRESENT，否则返回 null）
}

4. iterator()：返回迭代器

TreeSet 的迭代器按元素的自然顺序或 Comparator 顺序遍历，通过 TreeMap.keySet().iterator() 实现：

public Iterator<E> iterator() {
    return m.navigableKeySet().iterator(); // 返回 TreeMap 键集的迭代器（有序）
}

5. 导航方法（NavigableSet 接口）

TreeSet 实现了 NavigableSet 的导航方法，直接调用内部 TreeMap 的对应方法：

方法	说明
ceiling(E e)	返回大于等于 e 的最小元素（若不存在则返回 null）。
floor(E e)	返回小于等于 e 的最大元素（若不存在则返回 null）。
higher(E e)	返回大于 e 的最小元素（若不存在则返回 null）。
lower(E e)	返回小于 e 的最大元素（若不存在则返回 null）。
ceilingEntry(E e)	（内部 TreeMap 方法）返回大于等于 e 的最小键值对。
subSet(E fromElement, E toElement)	返回 [fromElement, toElement) 范围内的子集合（视图）。
headSet(E toElement)	返回小于 toElement 的子集合（视图）。
tailSet(E fromElement)	返回大于等于 fromElement 的子集合（视图）。

示例：导航方法的使用

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>(Arrays.asList(1, 3, 5, 7, 9));

System.out.println(set.ceiling(4));  // 5（大于等于4的最小元素）
System.out.println(set.floor(6));   // 5（小于等于6的最大元素）
System.out.println(set.higher(5));  // 7（大于5的最小元素）
System.out.println(set.lower(5));   // 3（小于5的最大元素）

四、关键源码细节

1. 内部 TreeMap 的初始化

TreeSet 的构造方法通过传入 TreeMap 实例完成初始化，TreeMap 的比较器决定了 TreeSet 的排序规则：

private transient NavigableMap<E, Object> m;

// 默认构造方法调用此构造器，传入自然排序的 TreeMap
TreeSet(NavigableMap<E, Object> m) {
    this.m = m;
}

2. 子集合（View）的实现

TreeSet 的 subSet、headSet、tailSet 方法返回的是 TreeSet 的视图（View），共享原 TreeSet 的底层 TreeMap，因此对视图的修改会直接影响原集合：

public NavigableSet<E> subSet(E fromElement, E toElement) {
    return new TreeSet<>(m.subMap(fromElement, true, toElement, false));
}

public NavigableSet<E> headSet(E toElement) {
    return new TreeSet<>(m.headMap(toElement, false));
}

public NavigableSet<E> tailSet(E fromElement) {
    return new TreeSet<>(m.tailMap(fromElement, true));
}

• TreeMap.subMap 等方法返回的是 SubMap 内部类实例，通过限制键的范围实现视图效果。

五、红黑树的依赖（TreeMap 的底层逻辑）

TreeSet 的有序性和高效操作最终依赖于 TreeMap 内部的红黑树实现。红黑树通过以下机制保证平衡：

• 节点颜色：每个节点标记为红色或黑色，根节点和叶子节点（NIL）为黑色。
• 平衡规则：无连续红色节点，任意路径的黑节点数量相同。
• 旋转与变色：插入或删除节点后，通过左旋、右旋和变色操作恢复平衡。

六、注意事项

1. 元素必须可比较：若使用自然排序，元素必须实现 Comparable 接口（如 Integer、String），否则插入时会抛出 ClassCastException。

   TreeSet<Person> set = new TreeSet<>(); // Person 未实现 Comparable，编译错误！
   

2. null 元素的限制：自然排序下 TreeSet 不允许 null 元素（Comparable 接口禁止 null）；自定义 Comparator 若允许 null，需显式处理（否则可能抛出 NullPointerException）。
3. 性能对比：TreeSet 的插入、删除、查找时间复杂度为 O(log n)，适合需要有序性和导航的场景；HashSet 的平均时间复杂度为 O(1)，适合仅需快速查找的场景。

七、总结

TreeSet 是基于 TreeMap 实现的有序集合，核心优势是元素唯一和有序性，并支持高效的导航操作。其内部通过 TreeMap 存储元素（键为集合元素，值为占位符），排序规则由 TreeMap 的比较器决定。实际开发中，若需要有序集合且需频繁进行范围查询或导航操作，TreeSet 是首选；若只需快速去重或查找，HashSet 更高效。