Java 集合系列17之 TreeSet详细介绍(源码解析)和使用示例

本文详细介绍了Java中的TreeSet,包括其特点、构造函数、API、数据结构及源码解析等内容,并通过示例展示了如何使用TreeSet。

 

概要

这一章,我们对TreeSet进行学习。
我们先对TreeSet有个整体认识,然后再学习它的源码,最后再通过实例来学会使用TreeSet。内容包括:
第1部分 TreeSet介绍
第2部分 TreeSet数据结构
第3部分 TreeSet源码解析(基于JDK1.6.0_45)
第4部分 TreeSet遍历方式
第5部分 TreeSet示例

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第1部分 TreeSet介绍

TreeSet简介

TreeSet 是一个有序的集合,它的作用是提供有序的Set集合。它继承于AbstractSet抽象类,实现了NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable接口。
TreeSet 继承于AbstractSet,所以它是一个Set集合,具有Set的属性和方法。
TreeSet 实现了NavigableSet接口,意味着它支持一系列的导航方法。比如查找与指定目标最匹配项。
TreeSet 实现了Cloneable接口,意味着它能被克隆。
TreeSet 实现了java.io.Serializable接口,意味着它支持序列化。

TreeSet是基于TreeMap实现的。TreeSet中的元素支持2种排序方式:自然排序 或者 根据创建TreeSet 时提供的 Comparator 进行排序。这取决于使用的构造方法。
TreeSet为基本操作(add、remove 和 contains)提供受保证的 log(n) 时间开销。
另外,TreeSet是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fast的。

 

TreeSet的构造函数

复制代码
// 默认构造函数。使用该构造函数,TreeSet中的元素按照自然排序进行排列。
TreeSet()

// 创建的TreeSet包含collection
TreeSet(Collection<? extends E> collection)

// 指定TreeSet的比较器
TreeSet(Comparator<? super E> comparator)

// 创建的TreeSet包含set
TreeSet(SortedSet<E> set)
复制代码

TreeSet的API

复制代码
boolean                   add(E object)
boolean                   addAll(Collection<? extends E> collection)
void                      clear()
Object                    clone()
boolean                   contains(Object object)
E                         first()
boolean                   isEmpty()
E                         last()
E                         pollFirst()
E                         pollLast()
E                         lower(E e)
E                         floor(E e)
E                         ceiling(E e)
E                         higher(E e)
boolean                   remove(Object object)
int                       size()
Comparator<? super E>     comparator()
Iterator<E>               iterator()
Iterator<E>               descendingIterator()
SortedSet<E>              headSet(E end)
NavigableSet<E>           descendingSet()
NavigableSet<E>           headSet(E end, boolean endInclusive)
SortedSet<E>              subSet(E start, E end)
NavigableSet<E>           subSet(E start, boolean startInclusive, E end, boolean endInclusive)
NavigableSet<E>           tailSet(E start, boolean startInclusive)
SortedSet<E>              tailSet(E start)
复制代码

说明

(01) TreeSet是有序的Set集合,因此支持add、remove、get等方法。
(02) 和NavigableSet一样,TreeSet的导航方法大致可以区分为两类,一类时提供元素项的导航方法,返回某个元素;另一类时提供集合的导航方法,返回某个集合。
lower、floor、ceiling 和 higher 分别返回小于、小于等于、大于等于、大于给定元素的元素,如果不存在这样的元素,则返回 null。

 

第2部分 TreeSet数据结构

TreeSet的继承关系

复制代码
java.lang.Object
   ↳     java.util.AbstractCollection<E>
         ↳     java.util.AbstractSet<E>
               ↳     java.util.TreeSet<E>

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>        
    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable{}
复制代码

 

TreeSet与Collection关系如下图:

从图中可以看出:
(01) TreeSet继承于AbstractSet,并且实现了NavigableSet接口。
(02) TreeSet的本质是一个"有序的,并且没有重复元素"的集合,它是通过TreeMap实现的。TreeSet中含有一个"NavigableMap类型的成员变量"m,而m实际上是"TreeMap的实例"。

 

第3部分 TreeSet源码解析(基于JDK1.6.0_45)

为了更了解TreeSet的原理,下面对TreeSet源码代码作出分析。

  View Code

总结

(01) TreeSet实际上是TreeMap实现的。当我们构造TreeSet时;若使用不带参数的构造函数,则TreeSet的使用自然比较器;若用户需要使用自定义的比较器,则需要使用带比较器的参数。
(02) TreeSet是非线程安全的。
(03) TreeSet实现java.io.Serializable的方式。当写入到输出流时,依次写入“比较器、容量、全部元素”;当读出输入流时,再依次读取。

 

第4部分 TreeSet遍历方式

4.1 Iterator顺序遍历

for(Iterator iter = set.iterator(); iter.hasNext(); ) { 
    iter.next();
}   

4.2 Iterator顺序遍历

// 假设set是TreeSet对象
for(Iterator iter = set.descendingIterator(); iter.hasNext(); ) { 
    iter.next();
}

4.3 for-each遍历HashSet

// 假设set是TreeSet对象,并且set中元素是String类型
String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
for (String str:arr)
    System.out.printf("for each : %s\n", str);


TreeSet不支持快速随机遍历,只能通过迭代器进行遍历!

 

TreeSet遍历测试程序如下:

  View Code

运行结果

复制代码
 ---- Ascend Iterator ----
asc : aaa
asc : bbb
asc : ccc
asc : ddd
asc : eee

 ---- Descend Iterator ----
desc : eee
desc : ddd
desc : ccc
desc : bbb
desc : aaa

 ---- For-each ----
for each : aaa
for each : bbb
for each : ccc
for each : ddd
for each : eee
复制代码

 

第5部分 TreeSet示例

下面通过实例学习如何使用TreeSet

  View Code

运行结果: 

复制代码
TreeSet:[aaa, bbb, ccc, ddd, eee]
size : 5
floor bbb: bbb
lower bbb: aaa
ceiling bbb: bbb
ceiling eee: eee
higher bbb: ccc
subSet(aaa, true, ccc, true): [aaa, bbb, ccc]
subSet(aaa, true, ccc, false): [aaa, bbb]
subSet(aaa, false, ccc, true): [bbb, ccc]
subSet(aaa, false, ccc, false): [bbb]
headSet(ccc, true): [aaa, bbb, ccc]
headSet(ccc, false): [aaa, bbb]
tailSet(ccc, true): [ccc, ddd, eee]
tailSet(ccc, false): [ddd, eee]
for each : aaa
for each : bbb
for each : ddd
for each : eee
TreeSet:[aaa, bbb, ddd, eee]
iter : aaa
iter : bbb
iter : ddd
iter : eee
pollFirst=aaa, set=[bbb, ddd, eee]
pollLast=eee, set=[bbb, ddd]
set is empty
复制代码
内容概要:本文系统介绍了算术优化算法(AOA)的基本原理、核心思想及Python实现方法,并通过图像分割的实际案例展示了其应用价值。AOA是一种基于种群的元启发式算法,其核心思想来源于四则运算,利用乘除运算进行全局勘探,加减运算进行局部开发,通过数学优化器加速函数(MOA)数学优化概率(MOP)动态控制搜索过程,在全局探索与局部开发之间实现平衡。文章详细解析了算法的初始化、勘探与开发阶段的更新策略,并提供了完整的Python代码实现,结合Rastrigin函数进行测试验证。进一步地,以Flask框架搭建前后端分离系统,将AOA应用于图像分割任务,展示了其在实际工程中的可行性与高效性。最后,通过收敛速度、寻优精度等指标评估算法性能,并提出自适应参数调整、模型优化并行计算等改进策略。; 适合人群:具备一定Python编程基础优化算法基础知识的高校学生、科研人员及工程技术人员,尤其适合从事人工智能、图像处理、智能优化等领域的从业者;; 使用场景及目标:①理解元启发式算法的设计思想与实现机制;②掌握AOA在函数优化、图像分割等实际问题中的建模与求解方法;③学习如何将优化算法集成到Web系统中实现工程化应用;④为算法性能评估与改进提供实践参考; 阅读建议:建议读者结合代码逐行调试,深入理解算法流程中MOA与MOP的作用机制,尝试在不同测试函数上运行算法以观察性能差异,并可进一步扩展图像分割模块,引入更复杂的预处理或后处理技术以提升分割效果。
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