Руководство по TreeMap в Java

1. обзор

В этой статье мы собираемся изучить реализациюTreeMap интерфейсаMap из Java Collections Framework (JCF).

TreeMap - это реализация карты, в которой записи отсортированы в соответствии с естественным порядком ключей или, что еще лучше, с использованием компаратора, если он предоставлен пользователем во время создания.

Ранее мы рассмотрели реализацииHashMap иLinkedHashMap, и мы поймем, что существует довольно много похожей информации о том, как работают эти классы.

Упомянутые статьи настоятельно рекомендуется прочитать, прежде чем приступить к этой.

2. Сортировка по умолчанию вTreeMap

По умолчаниюTreeMapсортирует все свои записи в соответствии с их естественным порядком. Для целого числа это будет означать возрастание, а для строк - алфавитный порядок.

Давайте посмотрим на естественный порядок в тесте:

@Test
public void givenTreeMap_whenOrdersEntriesNaturally_thenCorrect() {
    TreeMap map = new TreeMap<>();
    map.put(3, "val");
    map.put(2, "val");
    map.put(1, "val");
    map.put(5, "val");
    map.put(4, "val");

    assertEquals("[1, 2, 3, 4, 5]", map.keySet().toString());
}

Обратите внимание, что мы поставили целочисленные ключи неупорядоченно, но при получении набора ключей мы подтверждаем, что они действительно поддерживаются в порядке возрастания. Это естественный порядок целых чисел.

Аналогично, когда мы используем строки, они будут отсортированы в их естественном порядке, т.е. по алфавиту:

@Test
public void givenTreeMap_whenOrdersEntriesNaturally_thenCorrect2() {
    TreeMap map = new TreeMap<>();
    map.put("c", "val");
    map.put("b", "val");
    map.put("a", "val");
    map.put("e", "val");
    map.put("d", "val");

    assertEquals("[a, b, c, d, e]", map.keySet().toString());
}

TreeMap, в отличие от хэш-карты и связанной хеш-карты, нигде не использует принцип хеширования, поскольку он не использует массив для хранения своих записей.

3. Пользовательская сортировка вTreeMap

Если нас не устраивает естественный порядокTreeMap, мы также можем определить собственное правило для упорядочивания с помощью компаратора во время построения древовидной карты.

В приведенном ниже примере мы хотим, чтобы целочисленные ключи были расположены в порядке убывания:

@Test
public void givenTreeMap_whenOrdersEntriesByComparator_thenCorrect() {
    TreeMap map =
      new TreeMap<>(Comparator.reverseOrder());
    map.put(3, "val");
    map.put(2, "val");
    map.put(1, "val");
    map.put(5, "val");
    map.put(4, "val");

    assertEquals("[5, 4, 3, 2, 1]", map.keySet().toString());
}

Хеш-карта не гарантирует порядок сохраненных ключей и, в частности, не гарантирует, что этот порядок будет оставаться неизменным с течением времени, но древовидная карта гарантирует, что ключи всегда будут отсортированы в соответствии с указанным порядком.

4. Важность сортировкиTreeMap

Теперь мы знаем, чтоTreeMap хранит все свои записи в отсортированном порядке. Из-за этого атрибута древовидных карт мы можем выполнять такие запросы, как; найти «самый большой», найти «самый маленький», найти все ключи меньше или больше определенного значения и т. д.

Код ниже покрывает только небольшой процент этих случаев:

@Test
public void givenTreeMap_whenPerformsQueries_thenCorrect() {
    TreeMap map = new TreeMap<>();
    map.put(3, "val");
    map.put(2, "val");
    map.put(1, "val");
    map.put(5, "val");
    map.put(4, "val");

    Integer highestKey = map.lastKey();
    Integer lowestKey = map.firstKey();
    Set keysLessThan3 = map.headMap(3).keySet();
    Set keysGreaterThanEqTo3 = map.tailMap(3).keySet();

    assertEquals(new Integer(5), highestKey);
    assertEquals(new Integer(1), lowestKey);
    assertEquals("[1, 2]", keysLessThan3.toString());
    assertEquals("[3, 4, 5]", keysGreaterThanEqTo3.toString());
}

5. Внутренняя реализацияTreeMap

TreeMap реализует интерфейсNavigableMap и основывает его внутреннюю работу на принципах красно-черных деревьев:

public class TreeMap extends AbstractMap
  implements NavigableMap, Cloneable, java.io.Serializable

Принцип красно-черных деревьев выходит за рамки этой статьи, однако есть ключевые моменты, которые следует помнить, чтобы понять, как они вписываются вTreeMap.

First of all, красно-черное дерево - это структура данных, состоящая из узлов; Представьте себе перевернутое манговое дерево с корнем в небе и ветвями, растущими вниз. Корень будет содержать первый элемент, добавленный в дерево.

Правило состоит в том, что начиная с корня, любой элемент в левой ветви любого узла всегда меньше, чем элемент в самом узле. Правых всегда больше. То, что определяет больше или меньше, определяется естественным упорядочением элементов или определенным компаратором при построении, как мы видели ранее.

Это правило гарантирует, что записи древовидной карты всегда будут в отсортированном и предсказуемом порядке.

Secondly, красно-черное дерево - это самобалансирующееся двоичное дерево поиска. Этот атрибут и приведенные выше гарантируют, что базовые операции, такие как поиск, получение, размещение и удаление, занимают логарифмическое времяO(log n).

Быть самоуравновешенным является ключевым здесь. По мере того, как мы продолжаем вставлять и удалять записи, представьте себе, что дерево растет длиннее на одном краю или короче на другом.

Это будет означать, что операция будет занимать более короткое время на более короткой ветви и более длительное время на ветви, наиболее удаленной от корня, чего мы бы не хотели.

Поэтому об этом заботятся в оформлении красно-черных деревьев. Для каждой вставки и удаления максимальная высота дерева на любом ребре поддерживается на уровнеO(log n), т.е. дерево постоянно уравновешивается.

Точно так же, как хеш-карта и связанная хеш-карта, древовидная карта не синхронизирована, и поэтому правила ее использования в многопоточной среде аналогичны правилам в двух других реализациях карты.

6. Выбор правильной карты

Посмотрев на реализацииHashMap иLinkedHashMap ранее, а теперь наTreeMap, важно провести краткое сравнение между тремя, чтобы понять, какая из них и где подходит.

A hash map хорош как реализация карты общего назначения, которая обеспечивает быстрые операции хранения и извлечения. Однако, это терпит неудачу из-за его хаотического и неупорядоченного расположения записей.

Это заставляет его работать плохо в сценариях, где много итераций, поскольку вся емкость базового массива влияет на обход, а не только на количество записей.

A linked hash map обладает хорошими атрибутами хэш-карт и добавляет порядок в записи. Он работает лучше там, где много итераций, потому что учитывается только количество записей независимо от емкости.

A tree map переводит порядок на новый уровень, обеспечивая полный контроль над сортировкой ключей. С другой стороны, он предлагает худшую общую производительность, чем две другие альтернативы.

Можно сказатьlinked hash map reduces the chaos in the ordering of a hash map without incurring the performance penalty of a tree map.

7. Заключение

В этой статье мы рассмотрели класс JavaTreeMap и его внутреннюю реализацию. Поскольку он является последним в серии распространенных реализаций интерфейса Map, мы также кратко обсудили, где он лучше всего подходит по отношению к двум другим.

Полный исходный код всех примеров, использованных в этой статье, можно найти в папкеGitHub project.

TOC

Руководство по TreeMap в Java