12. TreeSet的内部实现原理是什么？它是如何实现排序的？

PangHu大约 3 分钟

TreeSet 是 Java 集合框架中的一个实现类，它实现了 NavigableSet 接口，并且是基于 TreeMap 实现的。TreeSet 的主要特性是元素自动排序，即元素会按照自然顺序或自定义的比较器顺序进行排序。在底层，TreeSet 是通过红黑树（Red-Black Tree）来实现的，这是一种自平衡的二叉搜索树。

`TreeSet` 的内部实现原理

1. 基于 `TreeMap` 实现

TreeSet 实际上是通过 TreeMap 来实现的。每个 TreeSet 实例在内部维护了一个 TreeMap 实例。TreeSet 的元素被作为 TreeMap 的键来存储，而 TreeMap 的值则是一个固定的常量对象。

private transient NavigableMap<E,Object> m;
private static final Object PRESENT = new Object();

public TreeSet() {
    this(new TreeMap<>());
}

当向 TreeSet 添加元素时，实际上是将元素作为键存储到 TreeMap 中。
TreeSet 使用 TreeMap 的有序特性来保证元素的排序。

2. 红黑树的作用

TreeMap 是基于红黑树实现的，红黑树是一种平衡二叉搜索树，其特点是：

自平衡：红黑树在插入和删除元素时，会通过旋转和重新着色等操作保持树的平衡，从而保证所有操作（插入、删除、查找）的时间复杂度都是 O(log n)。
有序性：红黑树中每个节点的左子树节点小于当前节点，右子树节点大于当前节点，这就保证了树中元素的顺序性。

因此，通过 TreeMap 维护的 TreeSet 也具备了以下特性：

元素按照自然顺序（或指定的比较器顺序）排列。
操作的时间复杂度为 O(log n)，包括插入、删除和查找。

`TreeSet` 如何实现排序

1. 自然顺序排序

TreeSet 可以按照元素的自然顺序进行排序。这意味着如果元素实现了 Comparable 接口，TreeSet 会使用 compareTo() 方法来比较和排序元素。

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();
set.add(3);
set.add(1);
set.add(2);

在这个例子中，TreeSet 会自动将元素排序为 [1, 2, 3]，因为 Integer 实现了 Comparable 接口，并按照自然顺序进行排序。

2. 自定义比较器排序

如果你需要按照不同的标准进行排序，可以在创建 TreeSet 时传入一个自定义的 Comparator。TreeSet 会使用这个比较器来对元素进行排序。

Comparator<String> comparator = (s1, s2) -> s2.compareTo(s1); // 反序排列
TreeSet<String> set = new TreeSet<>(comparator);
set.add("a");
set.add("c");
set.add("b");

在这个例子中，TreeSet 将使用提供的比较器按照反序（从大到小）排序，结果为 [c, b, a]。

`TreeSet` 的优缺点

优点

有序性：TreeSet 保证集合中的元素始终是有序的，这对于需要顺序访问元素的场景非常有用。
自平衡：红黑树的自平衡特性保证了插入、删除和查找操作的效率相对稳定，始终保持在 O(log n)。
导航方法：TreeSet 提供了一些特有的方法，如 first()、last()、headSet()、tailSet() 等，可以方便地获取元素的子集或进行范围操作。

缺点

较慢的操作：相比于 HashSet 的 O(1) 时间复杂度，TreeSet 的操作时间复杂度为 O(log n)，对于特别大的数据集，性能可能不如 HashSet。
更高的内存开销：由于 TreeSet 使用红黑树结构，相比于基于哈希表的 HashSet，内存开销更大。

使用场景

需要排序的场景：当你需要一个自动排序的集合时，TreeSet 是首选。例如，你需要保持一组唯一的元素并按顺序输出它们。
需要范围操作的场景：当你需要频繁地进行范围查询（如查找大于某个元素的所有元素）时，TreeSet 提供的导航方法非常有用。

总结

TreeSet 是 Java 中一个用于存储有序集合的类，基于 TreeMap 实现，并使用红黑树来维护元素的排序和自平衡。它的主要特性是自动排序，适合需要有序性和范围操作的场景。